2024年6月28日，阿耳忒弥斯2号（Artemis II）任务的猎户座飞船从最终组装与系统测试（FAST）单元中被吊起，置于位于佛罗里达州肯尼迪航天中心操作与检查大楼的西高空舱内。在高空舱中，飞船进行了模拟深空真空条件的一系列测试。图片来源：NASA / Rad Sinyak
经过广泛的分析和测试，NASA已经确定了阿耳忒弥斯1号猎户座飞船隔热罩意外烧焦的技术原因。
工程师发现，当猎户座从其无人绕月任务返回地球时，隔热罩内产生的一种名为Avcoat的烧蚀外层材料无法按预期排出和消散。这导致内部压力累积并发生开裂，导致一些烧焦的材料在几个位置脱落。
“我们的早期阿耳忒弥斯飞行是一项测试活动，阿耳忒弥斯1号测试飞行让我们有机会在增加载人任务之前，在深空环境中检验我们的系统，”NASA总部月球到火星计划办公室副主任阿米特·克沙特里亚（Amit Kshatriya）说道。“隔热罩的调查确保我们充分了解了问题的原因和性质，以及在宇航员前往月球时他们面对的风险。”
调查结果
团队采取了有条不紊的方法来了解和确定烧焦问题的根本原因，包括对阿耳忒弥斯隔热罩进行详细采样、审查航天器上传感器的图像和数据，以及进行全面的地面测试和分析。
下面这段视频是阿耳忒弥斯1号重入地球大气层的画面。
在阿耳忒弥斯1号任务中，工程师使用了跳跃式制导重返技术将猎户座送回地球。该技术通过延长猎户座飞船在重返太平洋着陆点后的飞行距离，提供了更大的灵活性，使用这种机动，猎户座飞船下降到地球大气层的上部，并利用大气阻力减速。随后，猎户座飞船利用太空舱的气动升力（ aerodynamic lift ）跳出大气层，然后重新进入大气层，在降落伞下最终下降并溅落。
利用阿耳忒弥斯1号任务中Avcoat材料的响应数据，调查团队能够在加州NASA艾姆斯研究中心的电弧喷射设施（ arc jet facilities）内复制阿耳忒弥斯1号再入轨道（entry trajectory ）环境，这是了解问题原因的关键部分。他们观察到，在进入大气层间歇期间，加热速率降低（heating rates decreased），热能积聚在隔热罩的 Avcoat 材料内。这导致气体积聚，这是预期的烧蚀过程的一部分。由于Avcoat材料缺乏“渗透性”（permeability），内部压力增大，导致外层开裂和不均匀脱落。
在阿耳忒弥斯1号测试飞行结束后，NASA 的猎户座飞船被回收并运送到佛罗里达州的 NASA 肯尼迪航天中心。在操作与检查大楼内，飞船的隔热罩从乘员舱模块上移除，并被旋转以便进行检查。
图片来源：NASA
在阿耳忒弥斯1号之前，团队进行了广泛的地面测试以模拟“跳跃”现象（skip phenomenon ）。然而，这些测试使用的加热速率远高于飞船实际飞行中经历的加热速率。地面测试中的高加热速率使得具有渗透性的炭层能够按预期形成并烧蚀，从而释放了气体压力。而在实际阿耳忒弥斯1号重返过程中，较低的加热速率减缓了炭层的形成过程，同时炭层中仍然产生气体。这些气体压力的累积导致Avcoat材料开裂，并释放了部分炭化层。近期对弧喷设施的增强改进，使得团队能够更准确地再现阿耳忒弥斯1号测得的飞行环境，从而在地面测试中验证这一开裂现象。
尽管阿耳忒弥斯1号任务是无人飞行，飞行数据表明，即使有乘员在船上，他们也会是安全的。乘员舱内部系统的温度数据显示，其温度始终维持在华氏70多度（约21-24℃），并处于安全范围内。隔热罩的热性能超出了预期。
工程师们已经充分理解了材料现象及其在重返过程中与环境的相互作用。通过改变材料或环境，他们可以预测飞船的响应情况。NASA团队一致认为，该机构可以制定可接受的飞行原理，使用当前的阿耳忒弥斯2号隔热罩并在进入时进行操作更改，从而确保机组人员的安全。
NASA的调查过程
在NASA工程师发现阿耳忒弥斯1号飞船隔热罩问题后，该机构立即启动了一项全面的调查过程，组建了一支多学科专家团队，涵盖热防护系统（thermal protection systems）、气动热力学（aerothermodynamics）、热测试与分析（thermal testing and analysis）、应力分析（stress analysis）、材料测试与分析（material test and analysis）等众多相关技术领域。NASA的工程与安全中心（Engineering and Safety Center）也参与其中，提供技术支持，包括无损检测、热与结构分析、故障树分析以及其他测试支持。
“我们对隔热罩的调查过程极其重视，将乘员安全作为驱动调查的首要因素，”NASA约翰逊航天中心猎户座项目负责人霍华德·胡（Howard Hu）说道。“整个过程非常深入，我们为团队提供了充足的时间来调查每一种可能的原因，他们也不遗余力地工作，确保我们理解这一现象，并采取必要的措施以减轻未来任务中的相关问题。”
阿耳忒弥斯1号的隔热罩在飞行时被安装了大量传感器，包括压力传感器、应变仪和热电偶，分别位于不同深度的烧蚀材料中。这些仪器提供的数据与物理样本的分析相辅相成，使团队能够验证计算机模型，重建环境条件，绘制内部温度分布图，并深入了烧焦损失的时间。
大约200个Avcoat样本从阿耳忒弥斯1号隔热罩中取出，并送往位于阿拉巴马州的NASA马歇尔航天中心进行分析与检查。团队通过无损检测技术“看”到了防热罩内部的情况。
对这些样本的研究中最重要的发现之一是：飞行前已确定为可渗透的Avcoat局部区域未出现开裂或烧焦损失。由于这些区域在进入过程中具有渗透性，由烧蚀产生的气体得以充分排放，避免了压力积累、开裂和烧焦损失。
在NASA位于加利福尼亚州的艾姆斯研究中心的电弧喷射测试室中，一块Avcoat测试样本正在进行热脉冲测试。测试样本的配置包括渗透性（上部）和非渗透性（下部）Avcoat部分，用于对比。这项测试有助于确认阿耳忒弥斯1号测试飞行中猎户座飞船炭化Avcoat材料损失的根本原因。图片来源：NASA
工程师们开展了八个单独的飞行后热测试（post-flight thermal test ）活动，以支持根本原因分析，总共完成了121次单项测试。这些测试在全美多个具有独特能力的设施中进行，包括位于艾姆斯研究中心电弧喷测试综合体的空气动力加热设施，用于测试各种测试气体的对流加热曲线，；位于俄亥俄州赖特-帕特森空军基地的激光强化材料评估实验室，用于测试辐射加热曲线并提供实时射线照相；以及艾姆斯的交互加热设施，用于在全尺寸模块范围内，测试空气中的对流和辐射加热曲线。
气动热力学专家还在NASA位于弗吉尼亚州的兰利研究中心以及位于纽约州布法罗的CUBRC气动测试设施完成了两次高超音速风洞测试活动，测试了多种炭损失配置，并改进和验证了分析模型。此外，还在阿拉巴马州的Kratos公司、肯塔基大学以及艾姆斯研究中心进行了渗透性测试，以进一步表征Avcoat的元素体积和孔隙率。工程师们还利用美国能源部在加州劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源测试设施，从微观结构层面研究了Avcoat的加热行为。
2024年春季，NASA组建了一个独立审查团队，对该机构的调查过程、调查发现和结果进行了全面审查。该独立审查由保罗·希尔（Paul Hill）领导，他是NASA的前领导者，曾在哥伦比亚号事故后的航天飞机复飞任务中担任首席飞行指挥官，并领导NASA的任务操作管理局（Mission Operations Directorate），现为NASA航空航天安全咨询委员会成员。这项审查持续了三个月，评估了隔热罩的飞行后状况、进入环境数据、烧蚀材料的热响应以及NASA的调查进展。审查团队一致认可NASA关于隔热罩物理行为技术原因的调查结论。
隔热罩的改进
鉴于Avcoat材料的渗透性是避免或减少炭化损失的关键参数，NASA掌握了确保乘员安全并提升未来“阿耳忒弥斯”隔热罩性能的必要信息。NASA在其历史中，通过每一次飞行积累经验，不断在硬件和操作上进行改进。在“阿耳忒弥斯I”测试飞行中收集的数据为工程师提供了宝贵的信息，用于指导未来的设计和优化。
在阿耳忒弥斯1号飞行经验的基础上，月球返回飞行性能数据以及经过改进的地面测试验证计划正在支持猎户座隔热罩的生产优化。未来用于猎户座飞船在“阿耳忒弥斯”登月任务中返回地球的隔热罩将被制造得更加均匀且具备一致的渗透性。目前，验证计划正在推进，同时位于新奥尔良的NASA米休装配厂（Michoud Assembly Facility）也正在生产渗透性更好的Avcoat材料模块。
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