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Material Compatibility of Common Aerospace Metals in MMH/MON-3
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By Space Force
During the keynote remarks, Gen. Stephen Whiting emphasized the joint functions and the importance of operating across the joint team using a common playbook to enable joint force commanders to synchronize, integrate, and execute joint operations.
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By NASA
El 28 de junio de 2024, la nave espacial Orion de Artemis II es retirada de la Celda de Ensamblaje Final y Pruebas del Sistema (FAST, por sus siglas en inglés) y colocada en la cámara de altitud oeste dentro del Edificio de Operaciones y Revisión del Centro Espacial Kennedy de la NASA en Florida. Dentro de la cámara de altitud, la nave espacial se sometió a una serie de pruebas que simulaban las condiciones de vacío del espacio profundo.Crédito de la foto: NASA / Rad Sinyak Read this story in English here.
Tras extensos análisis y pruebas, la NASA ha identificado la causa técnica de la pérdida imprevista de material carbonizado en el escudo térmico de la nave espacial Orion de Artemis I.
Los ingenieros determinaron que, cuando Orion regresaba de su misión sin tripulación alrededor de la Luna, los gases generados dentro del material ablativo exterior del escudo térmico, denominado Avcoat, no pudieron ventilarse y disiparse como estaba previsto. Esto permitió que se acumulara presión y se produjeran grietas, lo que causó que parte del material carbonizado se desprendiera en varios lugares.
“Nuestros primeros vuelos de Artemis son una campaña de prueba, y el vuelo de prueba de Artemis I nos dio la oportunidad de comprobar nuestros sistemas en el entorno del espacio profundo antes de incorporar a la tripulación en futuras misiones”, dijo Amit Kshatriya, administrador asociado adjunto de la Oficina del programa De la Luna a Marte, en la sede de la NASA en Washington. “La investigación sobre el escudo térmico ayudó a garantizar que comprendiéramos completamente la causa y la naturaleza del problema, así como el riesgo que les pedimos a nuestras tripulaciones que asuman cuando emprendan su viaje a la Luna”.
Los hallazgos
Los equipos técnicos adoptaron un enfoque metódico para comprender e identificar el origen del problema de pérdida de material carbonizado, incluyendo el muestreo detallado del escudo térmico de Artemis I, la revisión de las imágenes y los datos de los sensores de la nave espacial, y pruebas y análisis exhaustivos en tierra.
Durante Artemis I, los ingenieros utilizaron la técnica de guiamiento de reentrada atmosférica doble para el regreso de Orion a la Tierra. Esta técnica ofrece más flexibilidad ya que amplía el alcance del vuelo de Orion después del punto de reentrada para llevarlo hasta un lugar de amerizaje en el océano Pacífico. Con esta maniobra, Orion se sumergió en la parte superior de la atmósfera de la Tierra y utilizó la resistencia atmosférica para reducir su velocidad. A continuación, Orion utilizó la sustentación aerodinámica de la cápsula para rebotar y salir de nuevo de la atmósfera, para luego volver a entrar en el descenso final con paracaídas para su amerizaje.
Utilizando los datos de la respuesta del material Avcoat de Artemis I, el equipo de investigación pudo simular el entorno de la trayectoria de entrada de Artemis I —una parte clave para comprender la causa del problema— dentro de la instalación de chorro en arco del Centro de Investigación Ames de la NASA en California. Observaron que, durante el período entre las inmersiones en la atmósfera, las tasas de calentamiento disminuyeron y la energía térmica se acumuló dentro del material Avcoat del escudo térmico. Esto condujo a la acumulación de gases que forman parte del proceso de ablación (desgaste) previsto. Debido a que el Avcoat no tenía “permeabilidad”, la presión interna se acumuló y produjo el agrietamiento y el desprendimiento desigual de la capa exterior.
Los equipos técnicos realizaron extensas pruebas en tierra para simular el fenómeno de rebote en la reentrada antes de la misión Artemis I. Sin embargo, hicieron pruebas a velocidades de calentamiento mucho más altas que las que la nave espacial experimentó durante su vuelo. Las altas velocidades de calentamiento puestas a prueba en tierra permitieron que el material carbonizado permeable se formara y se desgastara como estaba previsto, liberando la presión del gas. El calentamiento menos severo observado durante la reentrada real de Artemis I desaceleró el proceso de formación de material carbonizado, al tiempo que siguió creando gases en esta capa de material. La presión del gas se acumuló hasta el punto de agrietar el Avcoat y liberar partes de la capa carbonizada. Las mejoras recientes en la instalación de chorro en arco han permitido una reproducción más precisa de los entornos de vuelo registrados por Artemis I, de modo que este comportamiento de agrietamiento pudo demostrarse en pruebas en tierra.
Si bien Artemis I no estaba tripulado, los datos del vuelo mostraron que, si la tripulación hubiera estado a bordo, habría estado a salvo. Los datos de la temperatura de los sistemas del módulo de tripulación dentro de la cabina también estaban dentro de los límites y se mantenían estables, con temperaturas alrededor de los 24 grados centígrados (75 grados Fahrenheit). El desempeño del escudo térmico superó las expectativas.
Los ingenieros comprenden tanto el fenómeno material como el entorno con el que interactúan los materiales durante la entrada a la atmósfera. Al cambiar el material o el entorno, pueden predecir cómo responderá la nave espacial. Los equipos de la NASA acordaron por unanimidad que la agencia puede desarrollar un análisis de vuelo aceptable que mantenga a la tripulación segura utilizando el actual escudo térmico de Artemis II con cambios operativos para su entrada en la atmósfera.
El proceso de investigación de la NASA
Poco después de que los ingenieros de la NASA descubrieran las condiciones del escudo térmico de Artemis I, la agencia comenzó un extenso proceso de investigación, el cual contó con un equipo multidisciplinario de expertos en sistemas de protección térmica, aerotermodinámica, pruebas y análisis térmicos, análisis de estrés (fatiga de materiales), pruebas y análisis de materiales, y muchos otros campos técnicos relacionados. El Centro de Ingeniería y Seguridad de la NASA también participó para aportar su experiencia técnica, incluyendo evaluación no destructiva, análisis térmico y estructural, análisis de árbol de fallas y otros métodos de respaldo de las pruebas.
“Nos tomamos muy en serio nuestro proceso de investigación del escudo térmico, con la seguridad de la tripulación como la fuerza impulsora que mueve esta investigación”, dijo Howard Hu, gerente del Programa Orion del Centro Espacial Johnson de la NASA en Houston. “El proceso fue extenso. Le dimos al equipo el tiempo necesario para investigar todas las causas posibles, y trabajaron incansablemente para asegurarse de que entendiéramos el fenómeno y los pasos necesarios para mitigar este problema en futuras misiones”.
El escudo térmico de Artemis I estaba muy cargado de instrumentos para este vuelo, e incluía sensores de presión, extensómetros y termopares a diferentes profundidades del material ablativo. Los datos de estos instrumentos acrecentaron el análisis de muestras físicas, lo que permitió al equipo validar modelos informáticos, crear reconstrucciones de entornos, proporcionar perfiles de temperatura interna y dar información sobre el momento de la pérdida de material carbonizado.
Alrededor de 200 muestras de Avcoat fueron extraídas del escudo térmico de Artemis I en el Centro de Vuelo Espacial Marshall de la NASA en Alabama para su análisis e inspección. El equipo llevó a cabo una evaluación no destructiva para “ver” dentro del escudo térmico.
Uno de los hallazgos más importantes que arrojó el examen de estas muestras fue que algunas superficies en la zona del Avcoat permeable, las cuales habían sido identificadas antes del vuelo, no sufrieron agrietamiento ni pérdida de material carbonizado. Dado que estas superficies eran permeables al comienzo de la entrada en la atmósfera, los gases producidos por la ablación pudieron ventilarse adecuadamente, eliminando la acumulación de la presión, el agrietamiento y la pérdida de material carbonizado.
Los ingenieros hicieron ocho campañas separadas de pruebas térmicas posteriores al vuelo para respaldar el análisis del origen de estas condiciones, y completaron 121 pruebas individuales. Estas pruebas fueron llevadas a cabo en instalaciones en diferentes lugares de Estados Unidos que cuentan con capacidades únicas, entre ellas: la Instalación de Calentamiento Aerodinámico en el Complejo de Chorro en Arco del centro Ames, para poner a prueba perfiles de calentamiento convectivo con diversos gases de prueba; el Laboratorio de Evaluación de Materiales Endurecidos por Láser en la Base de la Fuerza Aérea Patterson-Wright en Ohio, con el fin de poner a prueba perfiles de calentamiento radiativo y proporcionar radiografías en tiempo real; y la Instalación de Calentamiento por Interacción del centro Ames, para poner a prueba perfiles combinados de calentamiento convectivo y radiativo en el aire en bloques completos, esto es, aplicando todas las pruebas en cada bloque de material.
Los expertos en aerotermia también completaron dos campañas de pruebas en el túnel de viento hipersónico del Centro de Investigación Langley de la NASA en Virginia y en las instalaciones de pruebas aerodinámicas del CUBRC en Buffalo, Nueva York, para realizar pruebas con una diversidad de configuraciones de pérdida de material carbonizado, y mejorar y validar los modelos analíticos. También se realizaron pruebas de permeabilidad en el centro Kratos en Alabama, en la Universidad de Kentucky y en el centro Ames para caracterizar aún mejor el volumen elemental y la porosidad del Avcoat. La instalación de pruebas del centro de investigaciones Advanced Light Source, una instalación para usuarios científicos del Departamento de Energía de Estados Unidos en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, también fue utilizada por los ingenieros para examinar el comportamiento del calentamiento del Avcoat a nivel microestructural.
En la primavera de 2024, la NASA creó un equipo de revisión independiente que realizó una revisión exhaustiva del proceso de investigación, los hallazgos y los resultados de la agencia. La revisión independiente fue dirigida por Paul Hill, un exdirectivo de la NASA que se desempeñó como director principal de vuelo del transbordador espacial para el programa Return to Flight (Regreso a los vuelos) después del accidente del Columbia, quien también dirigió la Dirección de Operaciones de Misiones de la NASA y es miembro actual del Panel Asesor de Seguridad Aeroespacial de la agencia. La revisión se llevó a cabo durante un período de tres meses a fin de evaluar las condiciones del escudo térmico posteriores al vuelo, los datos del entorno para la entrada a la atmósfera, la respuesta térmica del material ablativo y el avance de las investigaciones de la NASA. El equipo de revisión estuvo de acuerdo con los hallazgos de la NASA sobre la causa técnica del comportamiento físico del escudo térmico.
Avances en el escudo térmico
Al saber que la permeabilidad de Avcoat es un parámetro clave para evitar o minimizar la pérdida de material carbonizado, la NASA tiene la información correcta para garantizar la seguridad de la tripulación y mejorar el desempeño de los futuros escudos térmicos del programa Artemis. A lo largo de su historia, la NASA ha aprendido de cada uno de sus vuelos e incorporado mejoras en el hardware y las operaciones. Los datos recopilados a lo largo del vuelo de prueba de Artemis I han proporcionado a los ingenieros información valiosísima para guiar futuros diseños y refinamientos. Los datos de desempeño del vuelo de retorno lunar y un sólido programa de calificación de pruebas en tierra, mejorado después de la experiencia del vuelo de Artemis I, están respaldando las mejoras en la producción del escudo térmico de Orion. Los futuros escudos térmicos para el regreso de Orion en las misiones de alunizaje de Artemis están en producción para lograr una uniformidad y permeabilidad consistente. El programa de calificación se está completando actualmente, junto con la producción de bloques de Avcoat más permeables, en la Instalación de Ensamblaje Michoud de la NASA en Nueva Orleans.
Para obtener más información sobre las campañas Artemis de la NASA, visita el sitio web (en inglés):
https://www.nasa.gov/artemis
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Meira Bernstein / Rachel Kraft / María José Viñas
Sede, Washington
202-358-1600
meira.b.bernstein@nasa.gov / rachel.h.kraft@nasa.gov / maria-jose.vinasgarcia@nasa.gov
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By NASA
Media are invited to learn about a unique series of flight tests happening in Virginia in partnership between NASA and GE Aerospace that aim to help the aviation industry better understand contrails and their impact on the Earth’s climate. Contrails are the lines of clouds that can be created by high-flying aircraft, but they may have an unseen effect on the planet – trapping heat in the atmosphere.
The media event will occur from 9 a.m.-12 p.m. on Monday, Nov. 25 at NASA’s Langley Research Center in Hampton, Virginia. NASA Langley’s G-III aircraft and mobile laboratory, as well as GE Aerospace’s 747 Flying Test Bed (FTB) will be on site. NASA project researchers and GE Aerospace’s flight crew will be available to discuss the Contrail Optical Depth Experiment (CODEX), new test methods and technologies used, and the real-world impacts of understanding and managing contrails. Media interested in attending must contact Brittny McGraw at brittny.v.mcgraw@nasa.gov no later than 12 p.m. EST, Friday, Nov. 22.
Flights for CODEX are being conducted this week. NASA Langley’s G-III will follow GE Aerospace’s FTB in the sky and scan the aircraft wake with Light Detection and Ranging (LiDAR) technology. This will advance the use of LiDAR by NASA to generate three-dimensional imaging of contrails to better characterize how contrails form and how they behave over time.
For more information about NASA’s work in green aviation tech, visit:
https://www.nasa.gov/aeronautics/green-aero-tech
-end-
David Meade
Langley Research Center, Hampton, Virginia
757-751-2034 davidlee.t.meade@nasa.gov
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By NASA
Name: Matthew Kowalewski
Title: Dragonfly Mass Spectrometer (DraMS) Lead Instrument Systems Engineer
Formal Job Classification: Aerospace Engineer
Organization: Instrument and Payload Systems Engineering Branch (Code 592)
Matthew Kowalewski is the lead instrument systems engineer for NASA’s Dragonfly Mass Spectrometer (DraMS). Photo courtesy of Matthew Kowalewski What do you do and what is most interesting about your role here at Goddard?
As the DraMS lead instrument systems engineer for NASA’s Dragonfly mission, I lead the coordinated technical development, integrating systems and making sure communications across subsystems is maintained within the instruments as well as with the lander. I enjoy the diversity and complexity of this instrument.
What do you enjoy most about your current position as the DraMS lead instrument systems engineer?
I started this position in March 2023 and it has been like drinking from a fire hose ever since, but in a good way. The complexity of the instrument and the number of subsystems means this is really three separate instruments in one, and that makes my job exciting. I have to keep up with a range of disciplines across everything that Goddard does including mechanisms, lasers, mass spectrometers, gas flow systems, mechanical systems, thermal systems and electrical systems.
I am always challenged and excited by those challenges too. Everything we do is necessary to meet the broad science requirements. Our goal is studying prebiotic chemistry on the surface of Titan.
What is your educational background? Why did you become an aerospace engineer?
I have a B.A. in astronomy and physics from Boston University and a master’s in physics from Johns Hopkins University.
As a child, I was more interested in astronomy and physics. In college, I developed an extreme interest in experimental physics including the engineering required to perform these experiments.
How did you come to Goddard?
After college, I worked in missile defense for a private company supporting the Midcourse Space Experiment. After three years, in 1998, my wife and I wanted to move closer to family, so I came to Goddard as an instrument engineer supporting the Total Ozone Mapping Spectrometer-Earth Probe (TOMS/EP) mission. I have also supported the Ozone Monitoring Instrument on Aura, The Ozone Mapping Profiler Suite (OMPS) on Suomi NPP and JPSS, various airborne field campaigns, and the New Opportunities Office.
What interesting field work did you do prior to joining DraMS?
I largely did field work supporting Earth science research and new business development. We flew remote sensing instruments on high altitude aircraft in the United States, Costa Rica, South Korea [whose official name is the Republic of Korea], and Canada. Most field campaigns lasted about a month where we were housed in hotels or military bases. While supporting the New Opportunities Office, we developed instrument and mission concepts, evaluated and prioritized technologies, and fostered relationships with industry, universities, and other government organizations.
How do you lead across multiple teams?
I lead a large team engineers and technicians spanning across over six teams. Communication is the key. I rely on the expertise of our systems team and all of the subsystem leads. We have daily and weekly meetings where everyone is heard and they are free to approach me whenever they have concerns.
I try to encourage open discussions including contrarian thoughts and ideas. I listen to all the options and opinions in an attempt to make the best-informed decision. Then I move forward with my decision.
In a cost- and schedule-constrained environment, like most missions are, we cannot get stuck in the decision-making process. At some point, a decision needs to be made and the team then moves forward.
Where have you traveled for work?
I have been to multiple NASA centers and military bases in this country. In addition to Costa Rica, South Korea and Canada, I have also been to the Netherlands and France for mission development.
What is the most memorable moment you have had at Goddard?
In 2003, I was supporting the space shuttle Columbia mission, STS-107. We had a small payload in the shuttle cargo bay called a Hitchhiker. I was second shift in the Hitchhiker mission operations center. I got to interact with the astronauts both prelaunch and on orbit. It meant a lot to me. My last shift was just prior to their reentry. It really impacted me when I learned, after my shift, that the shuttle disintegrated with all hands lost.
I had the honor of meeting these astronauts. It reminded me of the importance of the work that we do as we continue sending astronauts into orbit for missions.
When you mentor someone, what do you advise them to do?
I tell them to learn as much about everything that they can. For example, if they are an engineer, they should learn about science and other disciplines because a broad knowledge base will help them in the future. They will also learn why building a small piece of hardware is important for accomplishing the mission’s science goals. An electrical engineer building a circuit is actually building something for a far larger purpose.
It is also very important to get along with others. We work with others every day, in all aspects of our lives, and we have to understand their perspectives and respect their opinions. There is more to our jobs than building things. Establishing relationships with others is what truly allows us to accomplish our goals.
What do you do for fun?
I have four kids and enjoy spending time with them. I coach soccer, mentor a robotics club, and participate in endurance swim races. This is my second year as a mentor to my son’s robotics club, which participates in an annual, national robotics competition to build a robot from scratch. This year we have a highly mobile, fast robot with a multi-jointed arm to manipulate objects. I think we have a good shot at going to nationals.
Who would you like to thank?
I wish to thank my wife Angie for supporting me over all these years as my career developed. She was often home alone with four kids during long stints of travel. I would not be where I am without her.
I also owe much to my mentors, Scott Janz, Glenn Jaross, and Jay Al-Saadi for all their guidance, support and opportunities over the many years. Nobody can work alone, no matter how smart you are.
What is your “five-word or phrase memoir”? A five-word or phrase memoir describes something in just five words or phrases.
Understanding. Compassionate. Persistent. Hard-working. Curious about too many things.
By Elizabeth M. Jarrell
NASA’s Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md.
Conversations With Goddard is a collection of Q&A profiles highlighting the breadth and depth of NASA’s Goddard Space Flight Center’s talented and diverse workforce. The Conversations have been published twice a month on average since May 2011. Read past editions on Goddard’s “Our People” webpage.
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Last Updated Nov 12, 2024 EditorRob GarnerContactRob Garnerrob.garner@nasa.govLocationGoddard Space Flight Center Related Terms
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