Система тепловой защиты Space Shuttle (TPS) — это барьер , который защищал Space Shuttle Orbiter во время экстремальной температуры 1650 °C (3000 °F ) при входе в атмосферу . Вторичной целью была защита от жары и холода космоса во время нахождения на орбите. [1]
.jpg/1280px-Space_Shuttle_Endeavour_at_California_Science_Center_(8143982281).jpg)
TPS покрывала практически всю поверхность орбитального корабля и состояла из семи различных материалов, расположенных в разных местах в зависимости от требуемой степени тепловой защиты:
Каждый тип ТПС имел определенные характеристики теплозащиты, ударопрочности и веса, которые определяли места его использования и объемы использования.
Система TPS шаттла имела три ключевые характеристики, которые отличали ее от систем TPS, использовавшихся на предыдущих космических кораблях:
Алюминиевая конструкция орбитального аппарата не могла выдерживать температуру свыше 175 °C (347 °F) без разрушения конструкции. [2] Аэродинамический нагрев во время входа в атмосферу мог привести к повышению температуры в некоторых областях значительно выше этого уровня, поэтому требовался эффективный изолятор.
Нагрев при входе в атмосферу отличается от обычного нагрева атмосферы, связанного с реактивными самолетами, и это определило конструкцию и характеристики TPS. Обшивка высокоскоростных реактивных самолетов также может нагреваться, но это происходит из-за нагревания трением из-за атмосферного трения , аналогично нагреванию рук при трении их друг о друга. Орбитальный аппарат вошел в атмосферу как тупое тело , имея очень большой (40°) угол атаки , при этом его широкая нижняя поверхность была обращена в сторону направления полета. Более 80% нагрева, испытываемого орбитальным аппаратом при входе в атмосферу, вызвано сжатием воздуха перед гиперзвуковым аппаратом в соответствии с основным термодинамическим соотношением между давлением и температурой . Перед аппаратом создавалась горячая ударная волна , которая отклоняла большую часть тепла и предотвращала прямой контакт поверхности орбитального аппарата с пиковым теплом. Таким образом, нагрев при входе в атмосферу в значительной степени представлял собой конвективный перенос тепла между ударной волной и обшивкой орбитального аппарата через перегретую плазму . [1] Ключом к созданию многоразового щита от этого типа нагрева является материал с очень низкой плотностью, подобно тому, как термос препятствует конвективному переносу тепла. [ необходима цитата ]
Некоторые высокотемпературные металлические сплавы могут выдерживать тепло при входе в атмосферу; они просто нагреваются и повторно излучают поглощенное тепло. Эта технология, называемая теплоотводящей тепловой защитой, была запланирована для крылатого космического корабля X-20 Dyna-Soar . [1] Однако количество высокотемпературного металла, необходимое для защиты большого корабля, такого как Space Shuttle Orbiter, было бы очень тяжелым и повлекло бы за собой серьезные потери в производительности корабля. Аналогично, абляционный TPS был бы тяжелым, возможно, нарушал бы аэродинамику корабля, поскольку он сгорал бы во время входа в атмосферу, и требовал бы значительного обслуживания для повторного нанесения после каждой миссии. (К сожалению, плитка TPS, которая изначально была указана как никогда не принимающая удары мусора во время запуска, на практике также нуждалась в тщательном осмотре и ремонте после каждой посадки из-за повреждений, неизменно получаемых во время подъема, даже до того, как были установлены новые правила инспекции на орбите после потери Space Shuttle Columbia . )
TPS представляла собой систему различных типов защиты, а не только силикатные плитки. Они делятся на две основные категории: TPS с плиткой и TPS без плитки. [1] Основным критерием выбора была самая легкая защита, способная выдерживать тепло в данной области. Однако в некоторых случаях использовался более тяжелый тип, если требовалась дополнительная ударопрочность. Одеяла FIB в первую очередь были приняты для уменьшения необходимости в обслуживании, а не по тепловым или весовым причинам.
Большая часть шаттла была покрыта кремниевой плиткой LI-900 , изготовленной из по существу очень чистого кварцевого песка. [1] Изоляция предотвращала передачу тепла к алюминиевой обшивке и структуре орбитального корабля. Эти плитки были настолько плохими проводниками тепла, что их можно было держать за края, пока они были еще раскаленными. [3] На корабле было установлено около 24 300 уникальных плиток, [4] из-за чего орбитальный корабль прозвали «летающим кирпичным заводом». [5] [6] Исследователи из Университета Миннесоты и Университета штата Пенсильвания проводят атомистическое моделирование, чтобы получить точное описание взаимодействия атомарного и молекулярного кислорода с кремниевыми поверхностями для разработки лучших систем защиты от высокотемпературного окисления для передних кромок гиперзвуковых летательных аппаратов. [7]
Плитки не были механически прикреплены к транспортному средству, а были приклеены. Поскольку хрупкие плитки не могли сгибаться вместе с обшивкой транспортного средства, их приклеивали к войлочным прокладкам для изоляции напряжений (SIP) из войлока Nomex с помощью вулканизирующегося при комнатной температуре (RTV) силиконового клея, который, в свою очередь, приклеивали к обшивке орбитального аппарата. Они изолировали плитки от структурных прогибов и расширений орбитального аппарата. [1] Приклеивание 24 300 плиток требовало почти двух человеко-лет работы для каждого полета, отчасти из-за того, что клей быстро высыхал, и новые партии требовалось производить после каждых двух плиток. Специальная мера, при которой техники плевали в клей, чтобы замедлить процесс высыхания, была обычной практикой до 1988 года, когда исследование опасности плитки показало, что плевки ослабляют прочность сцепления клея. [8]
_tile,_c_1980._(9663807484).jpg/1280px-Silica_Space_Shuttle_thermal_protection_(TPS)_tile,_c_1980._(9663807484).jpg)
Черные плитки HRSI обеспечивали защиту от температур до 1260 °C (2300 °F). Было 20 548 плиток HRSI, которые покрывали створки шасси, створки шлангокабеля внешнего бака и остальные нижние поверхности орбитального корабля. Они также использовались в областях на верхней передней части фюзеляжа, частях гондол орбитальной маневренной системы , передней кромке вертикального стабилизатора, задних кромках элевонов и верхней поверхности закрылков корпуса. Их толщина варьировалась от 1 до 5 дюймов (от 2,5 до 12,7 см) в зависимости от тепловой нагрузки, возникающей во время входа в атмосферу. За исключением зон закрытия, эти плитки обычно имели квадратную форму 6 на 6 дюймов (15 на 15 см). Плитка HRSI состояла из волокон кремнезема высокой чистоты. Девяносто процентов объема плитки составляло пустое пространство, что давало ей очень низкую плотность (9 фунтов/куб. фут или 140 кг/м 3 ), что делало ее достаточно легкой для космических полетов. [1] Непокрытые плитки были ярко-белыми на вид и больше походили на твердую керамику, чем на пенистый материал, которым они были.
Черное покрытие на плитках представляло собой отвержденное в результате реакции стекло (RCG), в состав которого входили тетраборный силицид и боросиликатное стекло. [9] RCG наносилось на все стороны плитки, кроме одной, для защиты пористого кремнезема и повышения теплоотводящих свойств. Покрытие отсутствовало на небольшом участке сторон, прилегающих к непокрытой (нижней) стороне. Для обеспечения водонепроницаемости плитки в плитки с помощью шприца вводили диметилэтоксисилан. Уплотнение плитки тетраэтилортосиликатом (TEOS) также помогло защитить кремнезем и добавило дополнительную водонепроницаемость.
.png/1280px-Space_Shuttle_(HRSI_tile).png)
Непокрытая плитка HRSI, удерживаемая в руке, ощущается как очень легкая пена, менее плотная, чем пенополистирол , и с этим нежным, рыхлым материалом нужно обращаться с особой осторожностью, чтобы не повредить его. Покрытие ощущается как тонкая, твердая оболочка и инкапсулирует белую изолирующую керамику, чтобы устранить ее рыхлость, за исключением непокрытой стороны. Даже покрытая плитка ощущается очень легкой, легче, чем блок пенополистирола того же размера. Как и ожидалось для кремнезема, они не имеют запаха и инертны. [ необходима цитата ]
HRSI был в первую очередь разработан для того, чтобы выдерживать переход из областей с крайне низкой температурой (пустота космоса, около -270 °C или -454 °F) в высокие температуры при входе в атмосферу (вызванные взаимодействием, в основном сжатием при гиперзвуковом ударе, между газами верхних слоев атмосферы и корпусом космического челнока, обычно около 1600 °C или 2910 °F). [1]
Черная плитка FRCI обеспечивала повышенную прочность, устойчивость к растрескиванию покрытия и снижение веса. Некоторые плитки HRSI были заменены этим типом. [1]
Более прочная, жесткая плитка, которая вошла в употребление в 1996 году. Плитка TUFI выпускалась в высокотемпературных черных версиях для использования в нижней части орбитального аппарата и в более низкотемпературных белых версиях для использования в верхней части корпуса. Хотя она была более ударопрочной, чем другие плитки, белые версии проводили больше тепла, что ограничивало их использование в верхней части корпуса орбитального аппарата и в области главного двигателя. Черные версии имели достаточную теплоизоляцию для нижней части орбитального аппарата, но имели больший вес. Эти факторы ограничивали их использование в определенных областях. [1]
Белого цвета, они покрывали верхнее крыло около передней кромки. Они также использовались в отдельных областях передней, средней и задней части фюзеляжа, вертикального хвоста и гондол OMS/RCS. Эти плитки защищали области, где температура входа в атмосферу была ниже 1200 °F (649 °C). Плитки LRSI были изготовлены таким же образом, как и плитки HRSI, за исключением того, что плитки были квадратными размером 8 на 8 дюймов (20 на 20 см) и имели белое покрытие RCG из кремниевых соединений с блестящим оксидом алюминия. [1] Белый цвет был задуман и помогал управлять теплом на орбите, когда орбитальный аппарат подвергался воздействию прямых солнечных лучей.
Эти плитки можно было использовать повторно до 100 миссий с восстановлением (100 миссий также были проектным сроком службы каждого орбитального корабля). Они тщательно проверялись в Orbiter Processing Facility после каждой миссии, и поврежденные или изношенные плитки немедленно заменялись перед следующей миссией. Между плитками также вставлялись тканевые листы, известные как заполнители зазоров, где это было необходимо. Они обеспечивали плотное прилегание плиток, предотвращая проникновение избыточной плазмы между ними, но при этом допуская тепловое расширение и изгибание основной оболочки корабля.
До внедрения одеял FIB плитки LRSI занимали все области, которые сейчас покрываются одеялами, включая верхнюю часть фюзеляжа и всю поверхность стручков OMS. Такая конфигурация TPS использовалась только на Columbia и Challenger .
Разработаны после первоначальной поставки Columbia и впервые использованы на модулях OMS Challenger . [10] Этот белый волокнистый кремнеземный ватин низкой плотности имел вид, похожий на одеяло, и заменил подавляющее большинство плиток LRSI. Они требовали гораздо меньшего ухода, чем плитки LRSI, но имели примерно такие же тепловые свойства. После их ограниченного использования на Challenger , они использовались гораздо более широко, начиная с Discovery , и заменили многие плитки LRSI на Columbia после потери Challenger .
Светло-серый материал, выдерживающий температуру входа в атмосферу до 1510 °C (2750 °F), защищал передние кромки крыла и носовой колпак. Каждое крыло орбитального аппарата имело 22 панели RCC толщиной около 1 ⁄ 4 до 1 ⁄ 2 дюйма (6,4–12,7 мм). Т-образные уплотнения между каждой панелью допускали тепловое расширение и боковое перемещение между этими панелями и крылом.
RCC представлял собой ламинированный композитный материал, изготовленный из углеродных волокон , пропитанных фенольной смолой . После отверждения при высокой температуре в автоклаве ламинат пиролизуется для преобразования смолы в чистый углерод. Затем его пропитывали фурфуроловым спиртом в вакуумной камере, затем снова отверждали и пиролизуют для преобразования фурфуролового спирта в углерод. Этот процесс повторяли три раза, пока не были достигнуты желаемые свойства углерод-углерод.
Для обеспечения стойкости к окислению для возможности повторного использования внешние слои RCC были покрыты карбидом кремния. Покрытие из карбида кремния защищало углерод-углерод от окисления. RCC обладал высокой устойчивостью к усталостным нагрузкам, которые возникали во время подъема и входа. Он был прочнее плиток и также использовался вокруг гнезда передней точки крепления орбитального аппарата к внешнему баку для компенсации ударных нагрузок от детонации взрывчатого болта. RCC был единственным материалом TPS, который также служил структурной опорой для части аэродинамической формы орбитального аппарата: передних кромок крыла и носовой крышки. Все остальные компоненты TPS (плитки и покрытия) были установлены на структурных материалах, которые их поддерживали, в основном на алюминиевой раме и обшивке орбитального аппарата.
Эта белая, гибкая ткань обеспечивала защиту при температуре до 371 °C (700 °F). FRSI покрывала верхние поверхности крыла орбитального аппарата, верхние двери грузового отсека, части отсеков OMS/RCS и хвостовую часть фюзеляжа.
Заполнители зазоров были размещены у дверей и движущихся поверхностей, чтобы минимизировать нагрев путем предотвращения образования вихрей. Двери и движущиеся поверхности создавали открытые зазоры в системе теплозащиты, которые необходимо было защитить от тепла. Некоторые из этих зазоров были безопасными, но на тепловом экране были некоторые области, где градиенты поверхностного давления вызывали поперечный поток воздуха пограничного слоя в этих зазорах.
Материалы наполнителя были сделаны из белых волокон AB312 или черных тканевых покрытий AB312 (содержащих волокна оксида алюминия). Эти материалы использовались вокруг передней кромки носового колпака, лобовых стекол, бокового люка, крыла, задней кромки элевонов, вертикального стабилизатора, руля направления/тормоза, закрылка корпуса и теплозащитного экрана главных двигателей шаттла.
На STS-114 часть этого материала была смещена и определена как представляющая потенциальную угрозу безопасности. Было возможно, что заполнитель зазоров мог вызвать турбулентный поток воздуха дальше по фюзеляжу, что привело бы к гораздо большему нагреву, потенциально повреждая орбитальный аппарат. Ткань была удалена во время выхода в открытый космос во время миссии.
Хотя армированный углерод-углерод имел лучшие характеристики теплозащиты, он также был намного тяжелее, чем силикатные плитки и FIB, поэтому его применение ограничивалось относительно небольшими площадями. В целом, целью было использование самой легкой изоляции, соответствующей требуемой теплозащите. Плотность каждого типа TPS:
Общая площадь и вес каждого типа TPS (использовались на Orbiter 102 до 1996 г.):
Плитка часто отваливалась и стала причиной значительной задержки запуска STS-1 , первой миссии шаттла, которая изначально была запланирована на 1979 год, но не состоялась до апреля 1981 года. НАСА не привыкло к длительным задержкам в своих программах и находилось под большим давлением со стороны правительства и военных, требующих скорейшего запуска. В марте 1979 года оно перевезло незаконченный Columbia , в котором отсутствовало 7800 из 31 000 плиток, с завода Rockwell International в Палмдейле, Калифорния , в Космический центр Кеннеди во Флориде . Помимо создания видимости прогресса в программе, НАСА надеялось, что облицовка плиткой может быть завершена, пока готовится остальная часть орбитального корабля. Это было ошибкой; некоторые плиточники Rockwell не любили Флориду и вскоре вернулись в Калифорнию, а цех обработки орбитального аппарата не был предназначен для производства и был слишком мал для своих 400 рабочих. [12]
Каждая плитка использовала цемент, которому требовалось 16 часов для застывания . После того, как плитка была прикреплена к цементу, домкрат удерживал ее на месте еще 16 часов. В марте 1979 года каждому рабочему требовалось 40 часов, чтобы установить одну плитку; используя молодых, эффективных студентов колледжа летом, темп ускорился до 1,8 плитки на рабочего в неделю. Тысячи плиток не прошли стресс-тесты и их пришлось заменить. К осени в НАСА поняли, что скорость укладки плитки определит дату запуска. Плитка была настолько проблемной, что чиновники перешли бы на любой другой метод тепловой защиты, но других не было. [12]
Поскольку его пришлось перевозить без всех плиток, зазоры были заполнены материалом для поддержания аэродинамики шаттла во время перевозки. [13]
TPS плитки была предметом беспокойства во время разработки шаттла, в основном в отношении надежности сцепления. Некоторые инженеры считали, что может существовать режим отказа, при котором одна плитка может отсоединиться, и возникающее аэродинамическое давление создаст «эффект молнии», отрывая другие плитки. Будь то во время подъема или входа в атмосферу, результат будет катастрофическим.
Другой проблемой был лед или другой мусор, ударяющий плитки во время подъема. Это никогда не было полностью и тщательно решено, так как мусор никогда не был удален, и плитки оставались восприимчивыми к повреждениям от него. Окончательная стратегия НАСА по смягчению этой проблемы состояла в агрессивном осмотре, оценке и устранении любых повреждений, которые могут возникнуть на орбите и перед входом в атмосферу, а также на земле между полетами.
Эти опасения были настолько велики, что NASA провело значительную работу по разработке аварийного набора для ремонта плитки, который экипаж STS-1 мог использовать перед сходом с орбиты. К декабрю 1979 года прототипы и ранние процедуры были завершены, большинство из которых включали оснащение астронавтов специальным набором для ремонта в космосе и реактивным ранцем под названием Manned Maneuvering Unit (MMU), разработанным Мартином Мариеттой.
Другим элементом была маневренная рабочая платформа, которая должна была закрепить астронавта, выходящего в открытый космос, на хрупких плитках под орбитальным аппаратом, управляемого MMU. Концепция использовала электрически управляемые клеевые чашки, которые фиксировали рабочую платформу на месте на безликой поверхности плитки. Примерно за год до запуска STS-1 1981 года NASA решило, что возможность ремонта не стоит дополнительного риска и обучения, поэтому прекратило разработку. [14] Были нерешенные проблемы с инструментами и методами ремонта; также дальнейшие испытания показали, что плитки вряд ли оторвутся. Первая миссия шаттла действительно понесла несколько потерь плитки, но они были в некритических областях, и никакого «эффекта молнии» не произошло.
1 февраля 2003 года космический челнок Columbia был разрушен при входе в атмосферу из-за отказа TPS. Следственная группа установила и сообщила, что вероятной причиной аварии было то, что во время запуска кусок пенопласта пробил панель RCC на передней кромке левого крыла и позволил горячим газам от входа в атмосферу проникнуть в крыло и разрушить крыло изнутри, что привело к потере управления и разрушению шаттла.
Система тепловой защиты Space Shuttle получила ряд элементов управления и модификаций после катастрофы. Они были применены к трем оставшимся шаттлам, Discovery , Atlantis и Endeavour, в рамках подготовки к последующим миссиям по запуску в космос.
В миссии STS-114 2005 года , в которой Discovery совершил первый полет после катастрофы Columbia , NASA предприняло ряд шагов для проверки того, что TPS не поврежден. 50-футовая (15 м) система датчиков стрелы орбитального аппарата , новое расширение системы дистанционного манипулятора , использовалась для выполнения лазерной визуализации TPS для проверки на предмет повреждений. Перед стыковкой с Международной космической станцией Discovery выполнил маневр тангажа Rendezvous Pitch Maneuver , просто вращение назад на 360°, что позволило сфотографировать все области корабля с МКС. Два заполнителя зазоров выступали из нижней части орбитального аппарата больше, чем номинально допустимое расстояние, и агентство осторожно решило, что будет лучше попытаться удалить заполнители или обрезать их заподлицо, чем рисковать повышенным нагревом, который они могли вызвать. Несмотря на то, что каждый из них выступал менее чем на 3 см (1,2 дюйма), считалось, что если их оставить, то при входе в атмосферу нагрев может увеличиться на 25%.
Поскольку на нижней стороне орбитального аппарата не было никаких поручней (поскольку они могли бы вызвать гораздо больше проблем с нагревом при входе в атмосферу, чем выступающие зазорные заполнители, вызывающие беспокойство), астронавт Стивен К. Робинсон работал с роботизированной руки МКС Canadarm2 . Поскольку плитки TPS были довольно хрупкими, существовали опасения, что любой, кто работал под аппаратом, мог нанести ему больший ущерб, чем тот, который уже был там, но представители НАСА посчитали, что оставить зазорные заполнители в покое было бы большим риском. В этом случае Робинсон смог вытащить зазорные заполнители вручную и не причинил никакого ущерба TPS на Discovery .
По состоянию на 2010 год [обновлять], в связи с предстоящим прекращением эксплуатации космических челноков , НАСА жертвовало плитки TPS школам, университетам и музеям по цене доставки — 23,40 долл. США за штуку. [15] Около 7000 плиток были доступны по принципу «первым пришел — первым обслужен» , но ограничивались одной плиткой на учреждение. [15]
Низкотемпературные многоразовые поверхностные изоляционные плитки (LRSI) орбитальной системы маневрирования/системы управления реакцией заменены усовершенствованной гибкой многоразовой поверхностной изоляцией (AFRSI), состоящей из сшитого композитного стеганого тканевого одеяла с тем же материалом кремниевой плитки, зажатой между внешним и внутренним одеялами.