-El módulo de tripulación Orion-

Se ha pretendido que el módulo de tripulación que está previsto para cumplir en el futuro misiones de larga duración sea lo más acogedor posible para las futuras tripulaciones. Para esto, Lockheed Martin no solamente contó con la contribución de ingenieros y especialistas propios, sino que también compartió durante más de una década el trabajo con astronautas que participaron de las misiones Apolo, algunos de los cuales han fallecido durante estos años. También ha contado con el aporte de Gene Kranz, que no es un astronauta sino un ingeniero aeroespacial que fue director de vuelo de la NASA, quien diseñó toda la arquitectura de cómo administrar la nave espacial Apolo durante las misiones. La cápsula Orion puede proporcionar espacio vital en misiones para cuatro astronautas por hasta 21 días sin acoplarse a otra nave espacial y podría albergar a siete tripulantes en caso de una emergencia que lo requiriera. Con un volumen habitable de 9 m³ (316 pies cúbicos) de un volumen presurizado de 20 m³ (690,6 pies cúbicos) es la única parte de la nave espacial que regresa a la Tierra. Esta provista de cuatro asientos, dos de los cuales tienen acceso frontal a una única consola de control en la que se hallan los sistemas de control digital de "cabina de cristal" derivados del avión Dreamliner (Boeing 787). El astronauta Lee Morin que participó en su diseño explicaba que "Un gran beneficio es el ahorro de peso porque ya no es necesario tener un interruptor físico". "Con un interruptor físico, no solo está el peso del interruptor, sino que por añadidura también tienes el peso del cable al interruptor, y tienes que tener el peso del circuito que toma ese cable y lo alimenta a las computadoras del vehículo". De esta manera, la tripulación podrá comandar la nave espacial utilizando solo tres pantallas de visualización, alrededor de 60 interruptores físicos, dos controladores manuales rotativos, dos controladores manuales traslacionales y dos dispositivos de control de cursor. Por otra parte, los procedimientos electrónicos también se programan en el sistema para ayudar a la tripulación en los procesos diarios y de emergencia, ahorrando tiempo y espacio a la tripulación y haciendo obsoletos los grandes manuales en papel de las operaciones del sistema. Los tanques y un dispensador proporcionan agua potable y una forma sencilla de rehidratar y calentar los alimentos. La bahía de higiene de Orion tendrá un nuevo inodoro compacto, con un diseño que facilita el uso en el espacio tanto para hombres como para mujeres y que les brinda a los astronautas privacidad total para hacer sus necesidades fisiológicas. También se adiciona a la nave un dispositivo de ejercicio incorporado proporciona entrenamiento aeróbico y de fuerza para los astronautas. En caso de un evento de radiación, como una llamarada solar, los miembros de la tripulación se refugiaran en dos grandes armarios de almacenamiento en el piso de la cápsula, utilizando los materiales densos a bordo como protección.  El módulo también esta provisto de seis ventanas. El recipiente a presión es la estructura principal para el módulo de tripulación de Orion. Éste y los elementos estructurales de la nave utilizan aleación de aluminio-litio verde oliva, la misma que se utilizó para el tanque externo súper ligero del transbordador espacial utilizado para la mayoría de las misiones desde 1998.

El recipiente a presión de la cápsula Orion es la estructura subyacente de la nave espacial en la que se construyen e integran todos los sistemas y subsistemas que reúnen unos 100.000 componentes. Con un peso de alrededor de 1.2250 kg (2700 libras) y unas dimensiones de 3.05 de alto (10 pies) y casi 5 m de diámetro. El recipiente consta de siete grandes piezas de aleación de aluminio y litio que se han unido mediante soldadura por fricción de reacción automática que produce uniones superiores y permite la unión de aleaciones de Al-Li que no se pueden soldar utilizando técnicas tradicionales. Las instalaciones de ensamblaje (Michoud  Assembly Facility) de la NASA (en Nueva Orleans) comenzaron a soldar las piezas en setiembre de 2015 y finalizaron el 13 de enero de 2016, del destinado a la misión Artemisa-I o EM-1 (Misión de Exploración-1), que luego de varios retrasos finalmente despegaría el 16/11/22 a bordo del primer vuelo del poderoso cohete SLS en su versión Block 1B Crew. Este procedimiento ha proporcionado una fuerte cápsula hermética pero, a la vez, liviana que asegura un entorno sellado para el soporte vital de los astronautas en futuros módulos de tripulación. La estructura central del módulo de tripulación, el recipiente a presión, consta de una serie de componentes: un mamparo de popa y una tapa de mamparo de popa, el cañón del módulo de tripulación, el cono delantero, el mamparo delantero y el túnel del módulo de tripulación que interactuaría con una nave espacial acoplada. Este módulo de Orion requiere un total de 33 soldaduras soldadura por fricción y agitación (FSW) en un proceso innovador que incluyen algunas de las soldaduras circunferenciales más largas intentadas hasta la fecha utilizando la técnica FSW.

Recipiente a presión del módulo de tripulación Orion.

(Foto: NASA / LM)

Recipientes de presión de las naves Orion en tres etapas de construcción y test estructurales. (Lockheed Martin Corp.)

Mamparo delantero, mamparo y barril de popa, estructura de columna vertebral. 

(Fotos: NASA/LM)

Las secciones de mamparo y cañón de popa del módulo de tripulación sirven como una estructura de montaje para el conjunto de la columna vertebral que utiliza una estructura de rejilla de aluminio para proporcionar rigidez adicional al módulo y ofrecer puntos de conexión para los cuatro asientos de la tripulación, los sistemas internos y los armarios de almacenamiento. El cono instalado sobre la sección inferior del cañón incluye cuatro ventanas: dos ventanas de acoplamiento que miran hacia adelante y dos ventanas de horizonte. Esta sección también facilita la escotilla lateral del vehículo para la entrada y salida de la tripulación. El exterior del recipiente a presión ofrece estructuras de montaje para una variedad de equipos que no requieren residir dentro del volumen presurizado de la nave espacial, como sistemas de aviónica, tanques de propelente, componentes del sistema de control ambiental, baterías y una variedad de otros componentes. La mayoría de los sistemas externos se encuentran en la bahía delantera encima del mamparo delantero, instalado alrededor del túnel de la tripulación que conduce a la interfaz de acoplamiento delantero. Todo se encuentra rodeado por un sistema de protección térmica reutilizable (TPS por Thermal Protection Systems) consistente en materiales que no cambian mecánica o químicamente por las misiones de vuelo y se pueden volar de forma segura varias veces (con o sin mantenimiento). La Rama de Materiales de Protección Térmica de Ames Research Center de la NASA ha desarrollado numerosos productos TPS reutilizables, como baldosas reutilizables a base de sílice AIM, FRCI y AETB. Estas últimas precisamente que son baldosas de aluminoborosilicato reutilizable y de mayor temperatura, en la variedad especificada como 8 por su densidad (que equivale a una muy baja densidad de 0.13 a 0.15 gramos por cm³) son las que utilizaba el transbordador espacial y que ahora se destinan a la nave Orion.

 

Baldosa AETB-8 (NASA)

Alrededor del recipiente a presión y sus diversos sistemas externos se instalan paneles compuestos de carcasa posterior con núcleos de nido de abeja de titanio que sirven para proporcionar control térmico primario a la nave espacial, así como también protección contra desechos orbitales micrometeoroides (MMOD) utilizando paneles laminados. Un total de 49 paneles compuestos conforman la cubierta exterior de Orion con capas adicionales de protección térmica instaladas en la parte superior. Un total de 970 baldosas térmicas AETB-8 recubiertas de TUFI como las que utilizaba el transbordador espacial están instaladas en la carcasa posterior de Orion para proteger el equipo interno del calentamiento durante la reentrada. Estas baldosas consisten en fibras de vidrio de sílice y tienen excelentes características térmicas. La bahía delantera está protegida por una cubierta que también utiliza materiales compuestos. En la sección de popa, la estructura central de Orion interactúa con la estructura de soporte del escudo térmico que consiste en un esqueleto de titanio que sostiene el escudo térmico.

Cuando las baldosas cerámicas rígidas se unen a una superficie, generalmente quedan pequeños espacios entre ellas para permitir deflexiones estructurales menores. Para evitar la intrusión de aire caliente y el contacto de baldosa con baldosas, los materiales de relleno de huecos se utilizan en áreas de grandes gradientes de presión y entornos vibroacústicos. Iniciándose el Programa del Transbordador Espacial, Ames desarrolló un relleno de huecos que consistía en un paño de cerámica impregnado con un polímero de silicona que se adoptó como una solución al calentamiento de espacios en el transbordador Columbia. El uso de un recubrimiento cerámico (sílice coloidal) (designado C-9) mejoró significativamente el rendimiento del relleno de huecos. Estos rellenos de huecos de cerámica Ames han sobrevivido con éxito a las pruebas de arco a 2500 ° F, se utilizaron ampliamente para la flota de transbordadores y actualmente se utilizan en la carcasa posterior de Orion.

Instalación de la carcasa posterior (Backshell). (Fotos: NASA)

Escudo térmico (NASA)

Para soportar el calentamiento de reentrada de hasta 2.800 grados centígrados al regresar de Marte, la nave espacial Orion está equipada con el escudo térmico más poderoso del mundo, que también es el más grande jamás construido con un diámetro de poco más de cinco metros. El escudo térmico utiliza un esqueleto de titanio que proporciona los puntos de interfaz con el módulo de tripulación y agrega resistencia al escudo térmico requerido para que resista el impacto con el agua en el amerizaje. Este esqueleto se mantiene en su lugar mediante seis soportes en el mamparo de popa CM. Sobre el esqueleto se coloca una piel de fibra de carbono que proporciona resistencia adicional y actúa como superficie de montaje para el material de protección térmica ablativa AVCOAT¹). Esta estructura consta de un centro, 18 paneles de gore (sector de una superficie curva) y 18 segmentos de hombros. Orión se enfrentará a condiciones extremas durante su viaje a la luna y en el viaje a casa. En el vertiginoso retorno a través de la atmósfera de la Tierra, el módulo encontrará temperaturas de hasta 5.000 grados Fahrenheit. Las tasas de calentamiento pueden ser hasta cinco veces más extremas que las tasas de las misiones que regresan de la Estación Espacial Internacional. El escudo térmico de Orión, el sistema de protección térmica en forma de plato en la base de la nave espacial, soportará la mayor cantidad de calor y se erosionará, o "ablacionará", de manera controlada, transportando calor lejos del módulo de la tripulación durante su descenso a través de la atmósfera. 

Esqueleto de titanio, cubierta de escudo térmico y cubierta de esqueleto mate. (NASA)

El principio detrás de la tecnología de escudo térmico ablativo es crear una capa límite entre la pared exterior del escudo y el gas de la capa de choque extremadamente caliente al permitir que el material del escudo térmico se queme lentamente y, en el proceso, genere productos de reacción gaseosos que fluyan fuera del escudo térmico y mantengan la capa de choque a una distancia de separación. reduciendo el flujo de calor general experimentado por la capa exterior de la nave espacial.Los procesos que ocurren en el material del escudo térmico incluyen una carbonización, fusión y sublimación por un lado y una pirólisis por el otro. La pirólisis crea los gases del producto que soplan hacia afuera y crean el bloqueo deseado del flujo de calor convectivo y catalítico. El flujo de calor radiativo se reduce mediante la introducción de compuestos de carbono en el gas de la capa límite que lo hacen ópticamente opaco. El escudo térmico de Orión se lanza con una cubierta reflectante instalada sobre él para protegerlo de las bajas temperaturas que se encuentran en el espacio. Esta cubierta se quema en las etapas iniciales de reingreso.

El diseño actual del escudo térmico puede requerir modificaciones en el proceso de fabricación, ya que el material AVCOAT rellenado a mano era más desigual de lo deseado cuando los primeros escudos térmico de Orion salieron de la línea de fabricación. También pueden ser necesarios cambios para certificar completamente el escudo térmico para las energías de reentrada que ocurren en las misiones a Marte, ya que la versión actual solo es adecuada para las energías de entrada de los vuelos lunares.

¹)- Siendo originalmente desarrollada por Avco, la tecnología AVCOAT está siendo proporcionada desde 1984 por Textron y consiste en una estructura vacía de panal fenólico de fibra de vidrio que está unida a la estructura de fibra de carbono y contiene más de 330,000 celdas vacías. Estas celdas dentro del panal se llenan con el material AVCOAT usando una pistola. La capa AVCOAT tiene aproximadamente 4 centímetros de espesor, esperándose que el 20% se queme durante la entrada. El material ablativo en sí es una resina epoxi novolac con una serie de aditivos para crear una sustancia con una baja densidad de 0,51 g / cm³. Durante el proceso de reentrada, la pirólisis del material convierte el material en una mezcla de carbono y sílice. La NASA consideró ocho materiales candidatos diferentes, incluidos los dos candidatos finales, AVCOAT y Phenolic Impregnated Carbon Ablator, o PICA, los cuales han demostrado ser exitosos en misiones espaciales anteriores. AVCOAT está hecho de fibras de sílice con una resina epoxi-nálica rellena en un panal fenólico de fibra de vidrio y se fabrica directamente sobre la subestructura del escudo térmico y se une como una unidad al módulo de la tripulación durante el ensamblaje de la nave espacial. PICA, que se fabrica en bloques y se une al vehículo después de la fabricación, se utilizó en Stardust, la primera misión espacial robótica de la NASA dedicada exclusivamente a explorar un cometa, y la primera misión de retorno de muestras desde Apolo 17. El AVCOAT había sido utilizado en el escudo térmico de la nave Apolo y en algunas zonas seleccionadas del transbordador (en sus primeros vuelos). Se había dejado de utilizar debido a que su alta resistencia no era necesaria en las misiones posteriores, por lo que también su fabricación se había detenido.

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