Система тепловой защиты космического корабля «Шаттл» (TPS) — это барьер , который защищал орбитальный корабль космического корабля «Шаттл» во время жгучей жары при температуре 1650 °C (3000 °F ) при входе в атмосферу . Второстепенной целью было защититься от жары и холода космоса на орбите. [1]
.jpg/1280px-Space_Shuttle_Endeavour_at_California_Science_Center_(8143982281).jpg)
TPS покрывал практически всю поверхность орбитального корабля и состоял из семи различных материалов в разных местах в зависимости от степени необходимой теплозащиты:
Каждый тип ТПС имел специфическую теплозащиту, ударопрочность и весовые характеристики, определявшие места его применения и количество использованного материала.
TPS шаттла имел три ключевые характеристики, которые отличали его от TPS, использовавшегося на предыдущих космических кораблях:
Алюминиевая конструкция орбитального корабля не могла выдержать температуру выше 175 ° C (347 ° F) без разрушения конструкции. [2] Аэродинамический нагрев во время входа в атмосферу может привести к повышению температуры значительно выше этого уровня в определенных областях, поэтому был необходим эффективный изолятор.
Нагрев при входе в атмосферу отличается от обычного нагрева атмосферы, характерного для реактивных самолетов, и это определяло конструкцию и характеристики TPS. Обшивка высокоскоростного реактивного самолета также может нагреваться, но это происходит от фрикционного нагрева из-за атмосферного трения , аналогично согреванию рук при трении их друг о друга. Орбитальный аппарат снова вошел в атмосферу как тупое тело, имея очень большой (40°) угол атаки , а его широкая нижняя поверхность была обращена в направлении полета. Более 80% нагрева, который испытывает орбитальный аппарат во время входа в атмосферу, вызвано сжатием воздуха перед гиперзвуковым аппаратом в соответствии с основным термодинамическим соотношением между давлением и температурой . Перед аппаратом была создана горячая ударная волна , которая отклоняла большую часть тепла и не позволяла поверхности орбитального аппарата напрямую контактировать с пиковым теплом. Таким образом, нагрев при входе в атмосферу представлял собой в основном конвективную передачу тепла между ударной волной и обшивкой орбитального аппарата через перегретую плазму . [1] Ключом к многоразовой защите от этого типа нагрева является материал очень низкой плотности, подобно тому, как термос препятствует конвективной передаче тепла. [ нужна цитата ]
Некоторые жаропрочные металлические сплавы могут выдерживать тепло при входе в атмосферу; они просто нагреваются и повторно излучают поглощенное тепло. Эта технология, называемая тепловой защитой радиатора , была запланирована для крылатого космического корабля X-20 Dyna-Soar . [1] Однако количество высокотемпературного металла, необходимое для защиты большого транспортного средства, такого как орбитальный корабль космического корабля «Шаттл», было бы очень тяжелым и повлекло бы за собой серьезное ухудшение характеристик транспортного средства. Точно так же абляционный TPS будет тяжелым, возможно, нарушит аэродинамику транспортного средства, поскольку он сгорит во время входа в атмосферу, и потребует значительного обслуживания для повторного применения после каждой миссии. (К сожалению, плитка TPS, которая изначально не должна была выдерживать удары обломков во время запуска, на практике также нуждалась в тщательном осмотре и ремонте после каждой посадки из-за повреждений, неизменно возникающих во время подъема, даже до того, как были установлены новые правила проверки на орбите. после гибели космического корабля « Колумбия» ).
TPS представляла собой систему различных типов защиты, а не только кварцевые плитки. Они делятся на две основные категории: плиточные TPS и неплиточные TPS. [1] В качестве основного критерия выбора использовалась защита самого легкого веса, способная выдерживать жару в данной зоне. Однако в некоторых случаях использовался более тяжелый тип, если требовалась дополнительная ударопрочность. Одеяла FIB были приняты в первую очередь из-за необходимости меньшего обслуживания, а не из-за тепловых или весовых причин.
Большая часть шаттла была покрыта кварцевыми плитками LI-900 , сделанными из очень чистого кварцевого песка. [1] Изоляция предотвращала передачу тепла на нижележащую алюминиевую обшивку и конструкцию орбитального корабля. Эти плитки были настолько плохими проводниками тепла, что их можно было держать за края, пока они были еще раскалены докрасна. [3] На транспортном средстве было установлено около 24 300 уникальных плиток, [4] за что орбитальный аппарат прозвали «летающим кирпичным заводом». [5] [6] Исследователи из Университета Миннесоты и Университета штата Пенсильвания проводят атомистическое моделирование, чтобы получить точное описание взаимодействия между атомарным и молекулярным кислородом с поверхностями кремнезема, чтобы разработать более эффективные системы высокотемпературной защиты от окисления для передних кромок гиперзвуковых аппаратов. . [7]
Плитки не крепились к автомобилю механически, а приклеивались. Поскольку хрупкие плитки не могли сгибаться с обшивкой транспортного средства, они были приклеены к войлочным изолирующим прокладкам Nomex (SIP) с помощью силиконового клея, вулканизующегося при комнатной температуре (RTV), которые, в свою очередь, были приклеены к обшивке орбитального аппарата. Они изолировали плитки от структурных отклонений и расширений орбитального корабля. [1] На приклеивание 24 300 плиток потребовалось почти два человеко-года работы на каждый полет, отчасти из-за того, что клей быстро высыхал, и после каждой пары плиток приходилось производить новые партии. Специальное средство, заключавшееся в том, что технические специалисты плевали в клей, чтобы замедлить процесс высыхания, было обычной практикой до 1988 года, когда исследование опасности плитки показало, что плевок ослабляет 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 дверцы шасси, дверцы шлангокабеля внешнего бака и остальную часть нижних поверхностей орбитального корабля. Они также использовались в зонах верхней носовой части фюзеляжа, частях блоков системы орбитального маневрирования , передней кромке вертикального стабилизатора, задних кромках элевонов и верхней поверхности закрылков. Их толщина варьировалась от 1 до 5 дюймов (от 2,5 до 12,7 см), в зависимости от тепловой нагрузки, возникшей при входе в атмосферу. За исключением закрытых зон, эти плитки обычно имели квадратный размер 6 на 6 дюймов (15 на 15 см). Плитка HRSI состоит из кварцевых волокон высокой чистоты. Девяносто процентов объема плитки составляло пустое пространство, что придавало ей очень низкую плотность (9 фунтов/куб футов или 140 кг/м 3 ), что делало ее достаточно легкой для космических полетов. [1] Плитки без покрытия имели ярко-белый вид и больше напоминали твердую керамику, чем пенообразный материал, которым они были.
Черное покрытие плитки представляло собой реакционно-отвержденное стекло (RCG), в состав которого входили силицид тетрабора и боросиликатное стекло. [9] RCG был нанесен на все стороны плитки, кроме одной, для защиты пористого диоксида кремния и улучшения теплоотводящих свойств. Покрытие отсутствовало на небольшом крае сторон, прилегающих к непокрытой (нижней) стороне. Для обеспечения водонепроницаемости плитки в плитку с помощью шприца вводили диметилэтоксисилан. Уплотнение плитки тетраэтилортосиликатом (ТЭОС) также помогло защитить кремнезем и добавило дополнительную гидроизоляцию.
.png/1280px-Space_Shuttle_(HRSI_tile).png)
Плитка HRSI без покрытия, удерживаемая в руке, ощущается как очень легкая пена, менее плотная, чем пенополистирол , и с нежным, рыхлым материалом следует обращаться с особой осторожностью, чтобы предотвратить повреждение. Покрытие напоминает тонкую твердую оболочку и инкапсулирует белую изолирующую керамику, устраняя ее хрупкость, за исключением стороны без покрытия. Даже плитка с покрытием кажется очень легкой, легче, чем блок пенопласта того же размера. Как и ожидалось от диоксида кремния, они не имеют запаха и инертны. [ нужна цитата ]
HRSI был в первую очередь разработан, чтобы выдерживать переход из областей чрезвычайно низкой температуры (пустота космоса, около -270 ° C или -454 ° F) к высоким температурам входа в атмосферу (вызванным взаимодействием, в основном сжатием при гиперзвуковой ударной волне, между газами верхних слоев атмосферы и корпусом космического корабля «Шаттл», обычно около 1600 °C или 2910 °F). [1]
Черные плитки FRCI обеспечили повышенную долговечность, устойчивость к растрескиванию покрытия и снижение веса. Некоторые плитки HRSI были заменены на этот тип. [1]
Более прочная и жесткая плитка, которая начала использоваться в 1996 году. Плитки TUFI выпускались в черных версиях для высоких температур для использования в нижней части орбитального аппарата и в белых версиях для более низких температур для использования в верхней части корпуса. Хотя белые версии более устойчивы к ударам, чем другие плитки, они проводят больше тепла, что ограничивает их использование верхней частью корпуса орбитального корабля и зоной главного двигателя. Черные версии имели достаточную теплоизоляцию нижней части орбитального корабля, но имели больший вес. Эти факторы ограничивали их использование конкретными областями. [1]
Белые по цвету, они закрывали верхнее крыло возле передней кромки. Они также использовались в отдельных областях носовой, средней и задней части фюзеляжа, вертикального оперения и блоков OMS/RCS. Эти плитки защищают зоны, где температура входа в атмосферу ниже 1200 ° F (649 ° C). Плитки LRSI были изготовлены так же, как и плитки HRSI, за исключением того, что плитки имели квадратную форму размером 8 на 8 дюймов (20 на 20 см) и имели белое покрытие RCG, изготовленное из соединений кремнезема с блестящим оксидом алюминия. [1] Белый цвет был разработан специально и помог снизить температуру на орбите, когда орбитальный аппарат подвергался воздействию прямых солнечных лучей.
Эти плитки можно было повторно использовать до 100 миссий с ремонтом (100 миссий также соответствовали расчетному сроку службы каждого орбитального аппарата). После каждой миссии их тщательно проверяли в технологическом центре орбитального корабля , а поврежденные или изношенные плитки немедленно заменяли перед следующей миссией. При необходимости между плитками также вставлялись тканевые листы, известные как заполнители зазоров. Это позволило обеспечить плотное прилегание плиток, предотвращая проникновение избыточной плазмы между ними, но при этом допуская тепловое расширение и изгиб нижней обшивки автомобиля.
До появления одеял FIB плитки LRSI занимали все области, которые сейчас покрыты одеялами, включая верхнюю часть фюзеляжа и всю поверхность модулей OMS. Эта конфигурация TPS использовалась только на Columbia и Challenger .
Разработан после первой поставки Columbia и впервые использован на модулях OMS Challenger . [10] Этот белый волокнистый кварцевый ватин низкой плотности имел вид лоскутного одеяла 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 «Челленджере» , они стали использоваться гораздо более широко, начиная с «Дискавери» , и заменили многие плитки LRSI на «Колумбии» после потери «Челленджера» .
Светло-серый материал, выдерживающий температуру входа в атмосферу до 1510 °C (2750 °F), защищал передние кромки крыла и носовую часть. Каждое из крыльев орбитальных аппаратов имело 22 панели ПКР толщиной примерно от 1 ⁄ 4 до 1 ⁄ дюйма (от 6,4 до 12,7 мм). Т-образные уплотнения между каждой панелью допускали тепловое расширение и боковое смещение между этими панелями и крылом.
RCC представлял собой ламинированный композиционный материал, изготовленный из углеродных волокон, пропитанных фенольной смолой . После отверждения при высокой температуре в автоклаве ламинат подвергался пиролизу для преобразования смолы в чистый углерод. Затем его пропитывали фурфуроловым спиртом в вакуумной камере, затем отверждали и снова пиролизовывали, чтобы превратить фурфуроловый спирт в углерод. Этот процесс повторяли трижды до достижения желаемых свойств углерода-углерода.
Чтобы обеспечить стойкость к окислению и возможность повторного использования, внешние слои RCC были покрыты карбидом кремния. Покрытие из карбида кремния защищало углерод-углерод от окисления. ПКР обладал высокой устойчивостью к усталостным нагрузкам, возникавшим при подъеме и входе в систему. Он был прочнее плиток и также использовался вокруг гнезда передней точки крепления орбитального корабля к внешнему резервуару, чтобы выдерживать ударные нагрузки от детонации взрывного болта. RCC был единственным материалом TPS, который также служил опорой для части аэродинамической формы орбитального корабля: передних кромок крыла и носовой части. Все остальные компоненты TPS (плитки и покрытия) были установлены на конструкционные материалы, которые их поддерживали, в основном на алюминиевый каркас и обшивку орбитального корабля.
Эта белая гибкая ткань обеспечивала защиту при температуре до 371 °C (700 °F). FRSI покрывала верхние поверхности крыла орбитального корабля, верхние двери отсека полезной нагрузки, части блоков OMS/RCS и кормовую часть фюзеляжа.
На дверях и движущихся поверхностях были размещены заполнители зазоров, чтобы минимизировать нагрев и предотвратить образование вихрей. Двери и движущиеся поверхности создавали открытые бреши в системе теплозащиты, которые необходимо было защищать от тепла. Некоторые из этих зазоров были безопасными, но на тепловом экране были области, где градиенты поверхностного давления вызывали поперечный поток воздуха пограничного слоя в этих зазорах.
Наполнители изготавливались либо из белых волокон AB312, либо из черных тканевых покрытий AB312 (содержащих волокна оксида алюминия). Эти материалы были использованы вокруг передней кромки носового колпака, лобовых стекол, бокового люка, крыла, задней кромки элевонов, вертикального стабилизатора, руля направления/скоростного тормоза, закрылка корпуса и теплозащитного экрана главных двигателей шаттла.
На STS-114 часть этого материала была удалена и была определена как представляющая потенциальную угрозу безопасности. Вполне возможно, что наполнитель зазора может вызвать турбулентный поток воздуха дальше по фюзеляжу, что приведет к гораздо более сильному нагреву и потенциально может повредить орбитальный аппарат. Ткань была снята во время выхода в открытый космос во время миссии.
Хотя армированный углерод-углерод имел лучшие характеристики теплозащиты, он также был намного тяжелее, чем кварцевые плитки и FIB, поэтому его использование ограничивалось относительно небольшими площадями. В целом цель заключалась в том, чтобы использовать максимально легкую изоляцию, соответствующую требуемой тепловой защите. Плотность каждого типа ТПС:
Общая площадь и вес каждого типа TPS (использовались на Орбитере 102 до 1996 г.):
Плитка часто падала, что во многом приводило к задержке запуска STS-1 , первой миссии шаттла, которая первоначально была запланирована на 1979 год, но состоялась только в апреле 1981 года. НАСА не привыкло к длительным задержкам в своих программах и находилось под угрозой. большое давление со стороны правительства и военных с требованием скорого запуска. В марте 1979 года компания перевезла незавершенную Колумбию , в которой отсутствовало 7800 из 31 000 плиток, с завода Rockwell International в Палмдейле, Калифорния , в Космический центр Кеннеди во Флориде . НАСА надеялось не только создать видимость прогресса в программе, но и завершить укладку плитки, пока будет готова остальная часть орбитального аппарата. Это была ошибка; некоторые плиточники Роквелла не любили Флориду и вскоре вернулись в Калифорнию, а завод по обработке орбитальных кораблей не был предназначен для производства и был слишком мал для своих 400 рабочих. [12]
Для каждой плитки использовался цемент, на затвердевание которого требовалось 16 часов . После того, как плитка была прикреплена к цементу, домкрат удерживал ее на месте еще 16 часов. В марте 1979 года на укладку одной плитки каждому рабочему требовалось 40 часов; за счет привлечения молодых и эффективных студентов колледжей летом темпы ускорились до 1,8 плитки на одного работника в неделю. Тысячи плиток не выдержали стресс-тестов и их пришлось заменить. К осени НАСА осознало, что скорость укладки будет определять дату запуска. Плитка была настолько проблемной, что чиновники перешли бы на любой другой метод термозащиты, но другого не существовало. [12]
Поскольку его пришлось переправлять без плиток, зазоры были заполнены материалом, чтобы сохранить аэродинамику шаттла во время транспортировки. [13]
TPS плитки был предметом беспокойства во время разработки шаттла, главным образом в отношении надежности адгезии. Некоторые инженеры считали, что может существовать режим отказа, при котором одна плитка может отсоединиться, и возникающее в результате аэродинамическое давление создаст «эффект молнии», отрывающий другие плитки. Будь то во время подъема или входа в атмосферу, результат будет катастрофическим.
Другая проблема заключалась в том, что лед или другой мусор повредил плитку во время подъема. Эта проблема так и не была решена полностью и тщательно, поскольку обломки так и не были устранены, и плитки по-прежнему были подвержены повреждениям от них. Окончательная стратегия НАСА по смягчению этой проблемы заключалась в том, чтобы активно проверять, оценивать и устранять любые повреждения, которые могут возникнуть на орбите и перед входом в атмосферу, а также на земле между полетами.
Эти опасения были настолько велики, что НАСА проделало значительную работу по разработке комплекта для ремонта плитки аварийного использования, который экипаж STS-1 мог бы использовать перед сходом с орбиты. К декабрю 1979 года прототипы и первые процедуры были завершены, большая часть которых включала оснащение астронавтов специальным комплектом для ремонта в космосе и реактивным ранцем под названием « Пилотируемый маневренный блок » или MMU, разработанный Мартином Мариеттой.
Еще одним элементом была маневренная рабочая платформа, которая могла бы прикрепить астронавта, выходящего в открытый космос с двигателем MMU, к хрупким плиткам под орбитальным аппаратом. В концепции использовались клейкие чашки с электрическим управлением, которые фиксировали рабочую платформу на безликой поверхности плитки. Примерно за год до запуска STS-1 в 1981 году НАСА решило, что ремонтные возможности не стоят дополнительного риска и обучения, поэтому прекратило разработку. [14] Имелись нерешенные проблемы с инструментами и методами ремонта; Кроме того, дальнейшие испытания показали, что плитка вряд ли оторвется. В ходе первой миссии шаттла действительно было потеряно несколько плиток, но они находились в некритических областях, и никакого «эффекта молнии» не произошло.
1 февраля 2003 года космический корабль «Колумбия» был уничтожен при входе в атмосферу из-за отказа TPS. Следственная группа установила и сообщила, что вероятной причиной катастрофы было то, что во время запуска кусок пенопласта пробил панель ПКР на передней кромке левого крыла и позволил горячим газам из входного отверстия проникнуть в крыло и разрушить крыло изнутри. , что привело к возможной потере управления и разрушению шаттла.
После катастрофы система тепловой защиты космического корабля "Шаттл " получила ряд средств управления и модификаций. Они были применены к трем оставшимся шаттлам «Дискавери» , «Атлантис» и «Индевор» в рамках подготовки к последующим запускам миссий в космос.
Во время миссии STS-114 2005 года , в ходе которой «Дискавери» совершил первый полет после катастрофы «Колумбии» , НАСА предприняло ряд шагов, чтобы убедиться, что TPS не поврежден. Сенсорная система стрелы орбитального аппарата длиной 50 футов (15 м) , новое расширение системы дистанционного манипулятора , использовалась для выполнения лазерной визуализации TPS на предмет повреждений. Перед стыковкой с Международной космической станцией «Дискавери» выполнил маневр «Сближение по тангажу» , то есть простое сальто назад на 360°, что позволило сфотографировать все части корабля с МКС. Два заполнителя зазора выступали из нижней части орбитального аппарата больше, чем номинально допустимое расстояние, и агентство осторожно решило, что лучше попытаться удалить заполнители или разрезать их заподлицо, чем рисковать повышенным нагревом, который они могут вызвать. Несмотря на то, что каждый из них выступал менее чем на 3 см (1,2 дюйма), считалось, что выход из них может привести к увеличению нагрева на 25% при входе в атмосферу.
Поскольку у орбитального корабля не было никаких поручней на нижней стороне (поскольку они вызвали бы гораздо больше проблем при нагреве при входе в атмосферу, чем вызывающие беспокойство выступающие зазоры), астронавт Стивен К. Робинсон работал с роботизированной руки МКС, Canadarm2 . Поскольку плитки TPS были довольно хрупкими, существовали опасения, что любой, работающий под транспортным средством, может нанести транспортному средству больший ущерб, чем уже было там, но представители НАСА посчитали, что оставить в покое заполнители зазоров представляет больший риск. В этом случае Робинсон смог вручную вытащить наполнители зазоров и не причинил вреда TPS на Discovery .
По состоянию на 2010 год [обновлять], в связи с предстоящим прекращением эксплуатации космического корабля «Шаттл» , НАСА жертвовало плитки TPS школам, университетам и музеям в счет оплаты стоимости доставки — 23,40 доллара США каждая. [15] Около 7000 плиток были доступны в порядке очереди , но ограничено одной на каждое учреждение. [15]
Низкотемпературные многоразовые поверхностные изоляционные плитки (LRSI) системы орбитального маневрирования / системы управления реакцией заменены усовершенствованной гибкой поверхностной изоляцией многоразового использования (AFRSI), состоящей из сшитого композитного стеганого тканевого покрытия с тем же материалом из кварцевой плитки, зажатого между внешним и внутренним покрытием.