Dlaczego główny człon napędowy rakiety misji Artemis jest pomarańczowy? Czyżby NASA lubiła benchmark.pl?

Żółto-pomarańczowy kolor to konsekwencja zastosowania pianki poliuretanowej w spraju jako zewnętrznej izolacji. Jest ona natryskiwana na etapie przygotowywania poszczególnych elementów rakiet do startu, a jej dokładny skład jest wciąż doskonalony. Podobną ochronę stosowano w czasach wahadłowców, stosuje się także w przypadku innych wymagających tego rakiet. Zwykle oznacza to rakiety napędzane ciekłym wodorem, a z takich lubi korzystać NASA.

Zadanie takiej powłoki jest bardzo ważne, a polega ono na izolacji termicznej, by nie dopuścić do wzrostu temperatury materiału napędowego. Jej grubość zmienia się od 1 do 5 centymetrów zależnie od tego jaki element jest chroniony i jak silna musi być to izolacja.

A wszystko dlatego, że wewnątrz zbiorników mamy niesamowicie zimne paliwo

Wewnątrz głównego zbiornika rakiety SLS mamy ciekły tlen i wodór, które muszą pozostać płynne, by pełniły swoją rolę w trakcie startu i nie stanowiły zagrożenia. Oznacza to zachowanie wewnątrz zbiornika temperatury nie wyższej niż minus 217 stopni Celsjusza w przypadku wodoru i minus 148 stopni Celsjusza w przypadku tlenu. 

Tak wygląda rakieta SLS. Na pomarańczowo elementy rakiety szczególnie wymagające stosowania pianki izolacyjnej (fot: NASA)

Skuteczna izolacja to niełatwe zadanie skoro rakieta SLS w ciągu 8 minut ma osiągnąć wysokość 160 km na powierzchnią Ziemi, a jej prędkość wzrośnie od zera do 28 tysięcy kilometrów na godzinę. Oznacza to, że rakiecie towarzyszą nie tylko ogromne przeciążenia, ale też tarcie, które przekłada się na rosnącą temperaturę otoczenia i samej rakiety.

Również w trakcie oczekiwania na start, choć temperatury w miejscu startu nie są tak wysokie, utrzymanie odpowiednich warunków termicznych w zbiorniku jest kłopotliwe. Dlatego rakiety tankuje się jak najpóźniej. Dotyczy to zarówno rakiet, które mają izolację, jak i tych, które tej izolacji nie wymagają. 

Na etapie nanoszenia pianki elementy, które muszą być dostępne z zewnątrz, podobnie jak przy malowaniu ścian w domu, czy karoserii samochodu, są zabezpieczane. Pianka chroni zresztą nie tylko główny zbiornik paliwa. Również te mniejsze, a ważne elementy jak awionika, są chronione. Gdy dostęp do nich jest utrudniony, przygotowuje się specjalne formy w technice druku 3D.

Zbiornik na wodór dla rakiety SLS (fot: NASA / SBSEIPEL)

Czasem zamiast pianki wykorzystuje się korek, który jest co prawda cięższy niż pianka, ale jego własności izolacyjne i zabezpieczające w pewnych zastosowaniach są lepsze. Wykorzystywany jest on w przypadku sekcji głównych silników rakiety SLS, a także w niektórych miejscach mocowania rakiet wspomagających na paliwo stałe.

W praktyce pianka najpierw jest żółta, ale potem przybiera pomarańczowy kolor

Pianka pokrywająca rakietę ma w rzeczywistości żółty kolor, jednakże długa ekspozycja na promieniowanie słoneczne sprawia, że tak jak nasza skóra przybiera ona ciemniejszy odcień zbliżony do pomarańczowego.

Główny człon rakiety SLS, w którego wnętrzu znajdzie się zbiornik na ciekły wodór (fot: NASA)

Podczas pierwszych dwóch misji wahadłowców obawiano się wpływu ultrafioletowego składnika promieniowania słonecznego, dlatego główne zbiorniki paliwa były nie tylko pokryte pianką, ale dodatkowo pomalowane białą farbą zabezpieczającą.

Potem zrezygnowano z tego zabiegu, by zmniejszyć wagę startową całego kompletu rakiet i wahadłowca o około 272 kilogramy. Kto wie, czy nie odbyło się to kosztem bezpieczeństwa, gdyż farba mogła zwiększać odporność pianki na fragmentację i odrywanie się kawałkami. Jak wiemy spadające fragmenty pianki, które uszkodziły ochronne płytki wahadłowca Columbia, były przyczyną późniejszej tragedii.

W przypadku misji Artemis nie trzeba jednak obawiać się takiego obrotu spraw, gdyż moduł załogowy Orion nie jest przyczepiony z boku do rakiety jak wahadłowiec. Znajduje się na samym szczycie, ponad wszystkimi elementami rakiety wymagającymi ochrony przez piankę. Zatem odpadające kawałki pianki nie uszkodzą przedziału załogowego.

Czy wszystkie rakiety korzystają z pianki? Bo większość ma biały kolor i gładkie powłoki

Jeśli oglądaliście start rakiet SpaceX, czy początek misji Webba, który na orbitę wyniosła rakieta Ariane 5, zauważyliście, że te rakiety są pomalowane zwykle na biało, miejscami szaro lub czarno. Kolorowe malowanie w przypadku rakiet Sojuz lub indyjskich rakiet to kwestia techniczna i w pewnym sensie wyjątek od reguły. Czyżby brak rzucającego się w oczy pomarańczowego członu rakiety oznaczał, że stosowanie pianki nie jest w tym przypadku konieczne?

W przypadku rakiet Falcon 9 i tych rakiet, które nie korzystają z ciekłego wodoru, jest to całkiem słuszne rozumowanie.

Start rakiety Falcon 9 (fot: SpaceX)

W tym przypadku kontrasty temperaturowe pomiędzy wnętrzem zbiornika a otoczeniem choć duże, nie są tak krytyczne jak w przypadku rakiet, które stosują zarówno ciekły tlen jak i ciekły wodór. SpaceX mogło zrezygnować z piankowej izolacji w przypadku Falcona 9, jednak na zdjęciu startującej rakiety widać jak zimne są zbiorniki. Późne tankowanie ciekłego tlenu, zapobiega zbyt szybkiemu jego rozgrzaniu. Drugim materiałem napędowym stosowanym w rakietach Falcon 9 jest kerozyna.

Z kolei ciekły wodór jest już tak zimny, że nie tylko prowadzi do pokrywania się niedokładnie izolowanych ścian rakiet warstwą lodu, ale może nawet doprowadzić do skroplenia się tlenu w powietrzu w otoczeniu rakiety. A to jest bardzo niebezpieczne i może prowadzić do katastrofy. Odpadające od rakiety Saturn V kawałki lodu zapadły w pamięć chyba każdemu kto widział jej start.

Start Ariane 5 z Webbem na pokładzie. Na zbliżeniu widać ciemniejszą część rakiety, która w rzeczywistości jest pokryta pianką izolującą tak jak w przypadku rakiety SLS (fot: ESA)

Dlatego główny zbiornik paliwa w Ariane 5, która jako paliwo wykorzystuje ciekły wodór i tlen, jest pokryty pianką, podobnie jak w przypadku wahadłowców, rakiet Delta i głównej rakiety systemu SLS. Tylko, że tak jak w przypadku pierwszych lotów wahadłowców, pianka jest pomalowana na biało i jej struktura nie rzuca się od razu w oczy.

Pianka to forma zabezpieczenia termicznego, ale nie mylcie jej z osłonami termicznymi

Pianka o której mowa w przypadku rakiet pełni oczywiście rolę zabezpieczenia termicznego (chodzi o to, by paliwo stale miało bardzo niską temperaturę), ale w przypadku pojazdów kosmicznych konieczna jest także ochrona na etapie wejścia w atmosferę w trakcie powrotu na Ziemię, ewentualnie podczas lądowania na innych planetach (tutaj też chodzi o chłodzenie, a w sytuacji gdy osłona nagrzewa się do temperatur rzędu tysiąca i więcej stopni Celsjusza).

Jest też kwestia sond zbliżających się do Słońca, na przykład Parker Solar Probe wykorzystuje osłonę z pianki węglowej umieszczonej pomiędzy dwoma warstwami kompozytu węglowego.

By zapewnić odpowiednią ochronę, w przypadku lądowników załogowych, ale także pojazdów badawczych, na przykład marsjańskich łazików i lądowników, stosuje się ceramiczną (wykonaną z włókiem krzemionkowych) osłonę lądującego modułu.

Osłona termiczna dla kapsuły Orion (fot: NASA/Isaac Watson)

Ceramiczne były również płytki na wahadłowcach, ale to rozwiązanie jest kłopotliwe szczególnie w przypadku tak dużych konstrukcji. Problemem jest tu przede wszystkim sposób ich łączenia z korpusem rakiety, gdyż zastosowana technika ma wpływ na łatwość ewentualnego ich odpadania w trakcie lotu. Nie mamy jednak na razie innego pomysłu na zabezpieczenie, dlatego wciąż stosowane są tego typu materiały.

Osłona termiczna górnego członu Starship, po prawej widoczny sześciokątny kształt płytek ochronnych (fot: SpaceX)

SpaceX w przypadku Starship i jej części towarowo-załogowej (tej górnej) wciąż eksperymentuje z różnymi wariantami osłon ceramicznych. Dolny człon rakiety Starship (będzie on powracał na Ziemię) nie wymaga zabezpieczenia. Teoretycznie nie trzeba go nawet malować.

Źródło: inf. własna, NASA, SpaceX, KSC