Ғарыш айлағының қызудан қорғау жүйесі

Кіріспе

Space Shuttle жылулық қорғау жүйесі

Space Shuttle жылулық қорғау жүйесі (TPS) – атмосфераға қайта кіру кезінде Space Shuttle Orbiter-ді күйдіретін ыстықтан қорғаған тосқауыл. Екінші мақсат – орбитада жүргенде ыстықтан және суықтан қорғау.

Мақсаты

Орбиталық аппараттың алюминийден жасалған құрылымы құрылымдық зақымсыз жоғары температураға төтеп бере алмады. Атмосфераға қайта кіру кезінде аэродинамикалық қызу температураны кейбір аймақтарда осы деңгейден әлдеқайда жоғары көтеріп жіберді, сондықтан тиімді жылуоқшау қажет болды.

Қайта кіру жылыту

Қайта кіру кезіндегі қызу, реактивтік ұшақтармен байланысты әдеттегі атмосфералық қызудан өзгеше, және осы фактор TPS дизайны мен ерекшеліктерін анықтады. Жоғары жылдамдықты реактивтік ұшақтардың корпусы да қызып кетуі мүмкін, бірақ бұл атмосфералық үйкелістен туындаған жылу, екі қолды бір-біріне үйкеп жылыту сияқты. Ұшқыш аппарат 40° шабуыл бұрышымен атмосфераға кірді, оның кең төменгі беті ұшу бағытына қаратылған. Ұшқыш аппараттың қайта кіру кезіндегі қызудың 80%-дан астамы, гипердыбыстық құрылғының алдындағы ауаның қысылуынан туындайды, бұл қысым мен температура арасындағы термодинамикалық қатынасқа сәйкес келеді. Көліктің алдында ыстық соққы толқыны пайда болды, ол жылудың көп бөлігін бұрып, ұшқыш аппараттың бетіне тікелей ең жоғары температураның жете бермеуін қамтамасыз етті. Сондықтан, қайта кіру кезіндегі қызу, негізінен соққы толқыны мен ұшқыш аппараттың корпусы арасындағы конвективтік жылу алмасу арқылы, қызған плазма арқылы жүзеге асты. Құрылғыға 24 300-ге жуық бірегей плиткалар жеке орнатылды, осы себепті ұшқыш аппаратты "ұшатын кірпіш зауыты" деп атады. Миннесота және Пенсильвания штаттарының университеттеріндегі зерттеушілер, гипердыбыстық құрылғылардың алдыңғы жиектері үшін жақсырақ жоғары температурадағы тотығудан қорғау жүйелерін жасау мақсатында, кремний беттерімен атомдық және молекулалық оттегінің өзара әрекеттесуін дәл сипаттау үшін атомдық симуляциялар жүргізіп жатыр. Плиткалар құрылғыға механикалық түрде бекітілмеген, олар желімделген. Шағын плиткалар құрылғының корпусымен иілмейтіндіктен, олар бөлме температурасында вулканизацияланатын (RTV) силикон желімімен Nomex матасынан жасалған деформацияны оқшаулайтын төсемдерге (SIP) жабыстырылды, ал олар өз кезегінде ұшқыш аппараттың корпусына жабыстырылды. Бұл плиткаларды ұшқыш аппараттың құрылымдық деформациялары мен кеңеюінен оқшаулады.

Жоғары температурадағы қайта пайдаланылатын беттік оқшаулау (HRSI)

HRSI қара плиткалары температураға дейін қорғаныс қамтамасыз етті. 20 548 HRSI плиткасы қондыру шасси есіктерін, сыртқы бак байланыс есіктерін және орбиталық аппараттың қалған астыңғы беттерін жапқан. Олар сондай-ақ жоғарғы алдыңғы фюзеляждың, орбиталық маневрлеу жүйесінің бөліктерінің, тік стабилизатордың алдыңғы жиегінің, элевонның артқы жиектерінің және жоғарғы дене қанатының беттерінде қолданылды. Олардың қалыңдығы қайта кіру кезінде кездесетін жылу жүктемесіне байланысты , аралығында өзгерді. Жабылатын жерлерді қоспағанда, бұл плиткалар әдетте шаршы болды. HRSI плиткасы жоғары тазалықтағы кремний талшықтарынан жасалған. Плитка көлемінің 90% бос кеңістік болды, бұл оған өте төмен тығыздық берді, осылайша оны ғарышқа ұшу үшін жеңіл етті. Барлық жағына, біреуін қоспағанда, RCG жағылды, бұл тесікті кремнийді қорғауға және жылуді сіңіру қасиеттерін арттыруға көмектесті. Жабылмаған (астыңғы) жағына жақын жақтарының кішкентай шетінде жабылмады. Плитканы су өткізбеу үшін шприц арқылы диметилэтоксисилан енгізілді. Тетраэтил ортосиликат (TEOS) арқылы плитканы тығыздау да кремнийді қорғауға көмектесті және қосымша су өткізбейтін қасиеттер берді. Қолға ұсталған жабылмаған HRSI плиткасы өте жеңіл көбік сияқты сезіледі, пенопласттан гөрі тығыздығы төмен, ал нәзік, сынық материалды зақымданудан сақтау үшін өте абайлап ұстау керек. Жабылмасы жұқа, қатты қабық сияқты сезіледі және ақ оқшаулағыш керамиканы қаптайды, оның сынуын болдырмауға көмектеседі, жабылмаған жағында болмаса. Тіпті жабылмалы плитка да өте жеңіл сезіледі, бірдей өлшемдегі пенопласт блогынан да жеңіл. Күтілгендей, кремний үшін олар иіссіз және инертті. HRSI негізінен өте төмен температуралы аймақтардан (ғарыш кеңістігінің вакуумы, шамамен ) қайта кірудің жоғары температурасына (жоғары атмосфера газдары мен ғарыш кемесі корпусы арасындағы, көбінесе гипердыбыстық соққы кезіндегі қысылудан туындайтын, әдетте шамамен ) өтуге арналған. Бұл ақ, төмен тығыздықты, талшықты кремний матасы тікпе тәрізді көрінеді және LRSI плиткаларының көп бөлігін алмастырды. Олар LRSI плиткаларына қарағанда әлдеқайда аз күтімді қажет етті, бірақ шамамен бірдей жылу қасиеттеріне ие болды. Challenger-де шектеулі қолданылғаннан кейін, олар Discovery-ден бастап кеңінен қолданылды және Challenger-дің жоғалуынан кейін Columbia-дағы көптеген LRSI плиткаларын алмастырды.

The black HRSI tiles provided protection against temperatures up to There were 20,548 HRSI tiles which covered the landing gear doors, external tank umbilical connection doors, and the rest of the orbiter's under surfaces. They were also used in areas on the upper forward fuselage, parts of the orbital maneuvering system pods, vertical stabilizer leading edge, elevon trailing edges, and upper body flap surface. They varied in thickness from , depending upon the heat load encountered during reentry. Except for closeout areas, these tiles were normally square. The HRSI tile was composed of high purity silica fibers. Ninety percent of the volume of the tile was empty space, giving it a very low density making it light enough for spaceflight. RCG was applied to all but one side of the tile to protect the porous silica and to increase the heat sink properties. The coating was absent from a small margin of the sides adjacent to the uncoated (bottom) side. To waterproof the tile, dimethylethoxysilane was injected into the tiles by syringe. Densifying the tile with tetraethyl orthosilicate (TEOS) also helped to protect the silica and added additional waterproofing. An uncoated HRSI tile held in the hand feels like a very light foam, less dense than styrofoam, and the delicate, friable material must be handled with extreme care to prevent damage. The coating feels like a thin, hard shell and encapsulates the white insulating ceramic to resolve its friability, except on the uncoated side. Even a coated tile feels very light, lighter than a same sized block of styrofoam. As expected for silica, they are odorless and inert. HRSI was primarily designed to withstand transition from areas of extremely low temperature (the void of space, about ) to the high temperatures of re entry (caused by interaction, mostly compression at the hypersonic shock, between the gases of the upper atmosphere & the hull of the Space Shuttle, typically around ). This white low density fibrous silica batting material had a quilt like appearance, and replaced the vast majority of the LRSI tiles. They required much less maintenance than LRSI tiles yet had about the same thermal properties. After their limited use on Challenger, they were used much more extensively beginning with Discovery and replaced many of the LRSI tiles on Columbia after the loss of Challenger.

Көміртек-көміртекпен күшейтілген (RCC)

Қанаттың алдыңғы жиектері мен мұрын қалқасын қорғауға арналған ашық сұр түсті материал, қайта кіру кезіндегі температураға дейін төтеп берді. Әрбір орбиталық аппараттың қанатында шамамен жуық 22 RCC панелі болды. Әрбір панельдің арасындағы T-түйіспелер осы панельдер мен қанаттың арасындағы термиялық кеңеюге және бүйірлік қозғалысқа мүмкіндік берді. RCC – фенол шайырымен сіңдірілген көміртек талшықтарынан жасалған қабатталған композиттік материал. Ламинат автоклавта жоғары температурада қатырылып, шайырды таза көміртекке айналдыру үшін пиролизденді. Содан кейін вакуум камерасында фурфураль спиртімен сіңдіріліп, қайтадан қатырылып, фурфураль спирті көміртекке айналу үшін тағы да пиролизденді. Бұл процесс қажетті көміртек-көміртек қасиеттеріне қол жеткізгенше үш рет қайталанды. Қайта пайдалану үшін тотығуға төзімділікті қамтамасыз ету мақсатында RCC-нің сыртқы қабаттары кремний карбидімен жабылды. Кремний карбиді жабыны көміртек-көміртекті тотығудан қорғады. RCC орбиталық аппараттың ұшу және кіру кезіндегі шаршау жүктемесіне жоғары төзімді болды. Ол плиткалардан мықтырақ болды және орбиталық аппараттың сыртқы бакқа алдыңғы бекіту нүктесінің ұясының айналасында жарылғыш болттың жарылуынан туындаған соққы жүктемесін қабылдау үшін де қолданылды. RCC – орбиталық аппараттың аэродинамикалық пішінінің бір бөлігіне, яғни қанаттың алдыңғы жиектері мен мұрын қалқасына құрылымдық қолдау ретінде қызмет еткен жалғыз ТПҚ материалы болды. Барлық басқа ТПҚ компоненттері (плиткалар және жамылғылар) оларды қолдаған құрылымдық материалдарға, негізінен орбиталық аппараттың алюминийлік қаңқасына және қаптамасына орнатылды.

Nomex Felt қайта пайдаланылатын беткі изоляциясы (FRSI)

Бұл ақ түсті, иілгіш мата FRSI деңгейіне дейін қорғаныс ұсынды және орбиталық аппараттың жоғарғы қанаттарының беттерін, жоғарғы жүк бөлімінің есіктерін, OMS/RCS бөлімшелерінің бөліктерін және артқы фюзеляжды қамтыды.

Бос орындарды толтыру

Есіктер мен жылжымалы беттердегі кеңістіктерді толтыру үшін жинақыштар орнатылды, бұл вихрь пайда болуын болдырмау арқылы қызуды азайтуға көмектесті. Есіктер мен жылжымалы беттер жылу қорғау жүйесінде ашық кеңістіктер жасады, оларды қызудан қорғау қажет болды. Осы кеңістіктердің кейбіреулері қауіпсіз болды, бірақ жылу қалқанының кейбір бөліктеріндегі беттік қысым градиенттері осы кеңістіктердегі шекаралық қабаттағы ауаның көлденең ағынына себеп болды. Толтырғыш материал ақ AB312 талшықтарынан немесе қара AB312 мата қаптамаларынан (құрамында алюминий талшықтары бар) жасалған. Бұл материалдар мұрын бөлігінің алдыңғы жиегі, желдік әйнектер, бүйірлік люк, қанаттар, лифттердің артқы жиегі, вертикальды стабилизатор, руль/жылдамдық тежегіші, корпус жапқышы және шатттың негізгі қозғалтқыштарының жылу қалқанының айналасында қолданылды. STS-114 миссиясында осы материалдың бір бөлігі жұлынып, қауіпті екені анықталды. Жинақыштар фюзеляждың бойымен турбулентті ағыс тудырып, осыдан қызу күшейіп, орбиталық аппаратқа зиян келтіруі мүмкін еді. Мата миссия барысында ашық космоста алынып тасталды.

Бөренелерді баяу салу

Плиткалар жиі түсіп, STS-1 миссиясын – алғашқы ғарыш кемесін ұшыруды көпке кешіктірді. Бұл миссия бастапқыда 1979 жылға жоспарланған, бірақ 1981 жылдың сәуіріне дейін өткізілмеді. NASA бағдарламаларындағы ұзақ кешігулерге дайын болған жоқ және үкімет пен әскери тарапынан тез ұшыруға үлкен қысым көрсетілді. 1979 жылдың наурыз айында 31000 плитканың 7800-і жетіспейтін толық емес «Колумбия» ғарыш кемесі Калифорния штатындағы Палмдейл қаласындағы Rockwell International зауытынан Флорида штатындағы Кеннеди ғарыш орталығына көшірілді. Бағдарламада прогресс жасалып жатқанын көрсетуден басқа, NASA орбиталық аппараттың қалған бөлігі дайындалатын кезде плиткаларды орнатуды аяқтауға үміттенді. Бұл қателік болды: Rockwell компаниясының бірнеше плитка орнатушылары Флорида штатын ұнатпай, көп ұзамай Калифорнияға оралды, ал Орбиталық өңдеу орталығы өндіріс үшін жоспарланбаған және 400 жұмысшыға тым кішкентай болды. Әрбір плитканы бекіту үшін 16 сағаттай кеуектенуі қажет цемент қолданылды. Плитка цементке жабыстырылғаннан кейін, оны тағы 16 сағат бойы орнында ұстап тұру үшін домкрат пайдаланылды. 1979 жылдың наурыз айында әрбір жұмысшы бір плитканы орнатуға 40 сағат жұмсады, ал жазда жас және тиімді колледж студенттерін пайдалану арқасында бұл көрсеткіш аптасына бір жұмысшыға 1,8 плиткаға дейін артты. Мыңдаған плиткалар сынақтан өтпей, оларды ауыстыру қажет болды. Күзде NASA плиткаларды орнату жылдамдығы ұшыру күнін анықтайтынын түсінді. Плиткалар соншалықты қиын болғандықтан, қызметкерлер кез келген басқа жылудан қорғау әдісіне көшуге дайын еді, бірақ басқа мүмкіндік болмады. Барлық плиткаларсыз тасымалдануға мәжбүр болғандықтан, ғарыш кемесінің аэродинамикалық қасиеттерін сақтау үшін аралықтар материалмен толтырылды.

"Зип әсері" туралы алаңдаушылық

ТПС плиткасы шаттл әзірлеу кезінде, басты назар жабысудың сенімділігіне аударылды. Кейбір инженерлердің пікірінше, бір плитканың ажырап қалуы салдарынан аэродинамикалық қысым туындап, басқа плиткаларды да алып тастайтын "тізбектей әсер" пайда болуы мүмкін еді. Бұл, шатлдың ұшыру немесе қайта кіру кезінде, қатаң апатқа әкелуі мүмкін.

Қалдықтардың атып кетуі

Тағы бір мәселе – ұшу кезінде плиткаларға мұз немесе басқа да сынықтардың тиюі. Бұл мәселе толыққанды және жан-жақты шешілген емес, себебі сынықтарды жоюға қол жеткізілмеді, ал плиткалар олардан зақымдануға осал болып қалды. НАСА-ның осы мәселені азайту жөніндегі соңғы стратегиясы – ұшулар арасындағы жердегі, орбитадағы және қайта кіруге дейінгі кез келген зақымдануды белсенді түрде тексеру, бағалау және түзету болды.

Плиткаларды жөндеудің алғашқы жоспарлары

Бұл алаңдаушылықтар соншалықты маңызды болды, NASA төтенше жағдайларда қолданылатын плиткаларды жөндеуге арналған жиынтықты дамыту бойынша үлкен жұмыс жүргізді, оны STS 1 экипажы орбитадан түсу алдында қолдана алатын болды. 1979 жылдың желтоқсанына қарай прототиптер мен бастапқы процедуралар аяқталды, олардың көпшілігі астронавттарды арнайы ғарыштық жөндеу жиынтығымен және Мартин Мариетта компаниясы жасаған Manned Maneuvering Unit (MMU) немесе адам басқару бірлігі деп аталатын реактивтік қаппен жабдықтауды қамтыды. Тағы бір элемент – бұл маневрлі жұмыс платформасы, ол MMU жетегімен ғарышқа шыққан астронавтты орбиталық аппараттың астындағы нәзік плиткаларға бекітетін еді. Концепцияда плитканың тегіс бетіне жұмыс платформасын бекітетін электрмен басқарылатын жабысқақ тостағандар қолданылды. 1981 жылғы STS 1 ұшырылысына бір жыл қалғанда, NASA жөндеу мүмкіндігінің қосымша тәуекел мен оқытуды қажет ететініне көз жеткізіп, әрі қарымы дамытуды тоқтатты. Жөндеу құралдары мен техникалары бойынша шешілмеген мәселелер болды; сондай-ақ қосымша сынақтар плиткалардың түсіп қалуының ықтималы төмен екенін көрсетті. Бірінші шаттл миссиясы кезінде бірнеше плитка жоғалды, бірақ олар маңызды емес жерлерде болды және «тізбектей бұзылу» (zipper effect) болған жоқ.

Колумбия апаты және оның салдары

2003 жылдың 1 ақпанында «Колумбия» ғарыш шаттлы TPS (жылу қорғау жүйесі) бұзылуынан атмосфераға қайта кіргенде қирады. Тергеу тобы апаттың басты себебінің – ұшырылғанда көбік қалдықтарының сол қанаттың алдыңғы жиегіндегі RCC (көміртекті күшті материал) панелін тесіп, қайта кіру кезінде ыстық газдардың қанаттың ішіне еніп, оны іштен жоюына, нәтижесінде бақылауды жоғалтып, шаттлдың қирауына әкелгенін анықтады. Апаттан кейін ғарыш шаттлының жылу қорғау жүйесіне бірнеше түзетутер мен өзгерістер енгізілді. Бұл түзетутер қалған үш шаттлға – «Дискавери», «Атлантис» және «Эндевор» – келесі ғарыш миссияларына дайындалу үшін қолданылды. 2005 жылғы STS-114 миссиясында, «Колумбия» апатынан кейін алғашқы ұшуды жасаған «Дискавери», НАСА TPS-тің зақымдалмағанын тексеру үшін бірқатар шаралар қолданды. 50 фут (15 м) болатын орбиталық сенсорлық жүйе (Orbiter Boom Sensor System), қашықтан манипулятор жүйесіне (Remote Manipulator System) қосымша жабдық ретінде, TPS-тің зақымдануын тексеру үшін лазерлік суреттеу жүргізуге пайдаланылды. Халықаралық ғарыш станциясымен (ISS) байланыс жасау алдында «Дискавери» 360 градусқа кері бұрылыс жасады (Rendezvous Pitch Maneuver), бұл ISS-тен шаттлдың барлық бөліктерін суретке түсіруге мүмкіндік берді. Шаттлдың төменгі жағында екі саңылау толтырғыш (gap filler) рұқсат етілген шектен артық шығып тұрды, сондықтан агенттік оларды алып тастау немесе кесіп тегістеудің, ыстықтан қорғау жүйесіне қосымша жүктеме түсірмеудің қауіпсіздігі жағынан тиімдірек екеніне келісті. Олардың әрқайсысының шығыңқы бөлігі аз болса да, оларды тастап кеткен жағдайда қайта кіру кезінде температура 25%-ға дейін артуы мүмкін деп есептелді. Шаттлдың төменгі жағында тұтқалар болмағандықтан (олар шығыңқы саңылау толтырғыштарға қарағанда қайта кіру кезінде жылудың артуына әлдеқайда үлкен қауіп тудырар еді), астронавт Стивен К. Робинсон ISS-тің роботтық манипуляторы (Canadarm2) арқылы жұмыс істеді. TPS плиткаларының нашарлығына байланысты, шаттлдің астында жұмыс істейтін адам көлікке одан да көп зақым келтіруі мүмкін деген алаңдаушылық болды, бірақ НАСА қызметкерлері саңылау толтырғыштарды тастап кеткені үлкен қауіп тудырады деп сақтықпен бағалады. Нәтижесінде Робинсон қолмен саңылау толтырғыштарды алып тастады және «Дискавери» шаттлының TPS-іне ешқандай зақым келтірмеді.

On February 1, 2003, the Space Shuttle Columbia was destroyed on reentry due to a failure of the TPS. The investigation team found and reported that the probable cause of the accident was that during launch, a piece of foam debris punctured an RCC panel on the left wing's leading edge and allowed hot gases from the reentry to enter the wing and disintegrate the wing from within, leading to eventual loss of control and breakup of the shuttle. The Space Shuttle's thermal protection system received a number of controls and modifications after the disaster. They were applied to the three remaining shuttles, Discovery, Atlantis and Endeavour in preparation for subsequent mission launches into space. On 2005's STS 114 mission, in which Discovery made the first flight to follow the Columbia accident, NASA took a number of steps to verify that the TPS was undamaged. The 50 feet (15 m) Orbiter Boom Sensor System, a new extension to the Remote Manipulator System, was used to perform laser imaging of the TPS to inspect for damage. Prior to docking with the International Space Station, Discovery performed a Rendezvous Pitch Maneuver, simply a 360° backflip rotation, allowing all areas of the vehicle to be photographed from ISS. Two gap fillers were protruding from the orbiter's underside more than the nominally allowed distance, and the agency cautiously decided it would be best to attempt to remove the fillers or cut them flush rather than risk the increased heating they would cause. Even though each one protruded less than , it was believed that leaving them could cause heating increases of 25% upon reentry. Because the orbiter did not have any handholds on its underside (as they would cause much more trouble with reentry heating than the protruding gap fillers of concern), astronaut Stephen K. Robinson worked from the ISS's robotic arm, Canadarm2. Because the TPS tiles were quite fragile, there had been concern that anyone working under the vehicle could cause more damage to the vehicle than was already there, but NASA officials felt that leaving the gap fillers alone was a greater risk. In the event, Robinson was able to pull the gap fillers free by hand, and caused no damage to the TPS on Discovery.

Плитканың сыйға тартуы

Космик кемелер тоқтатылатын болғандықтан, NASA TPS плиткаларын мектептерге, университеттерге және мұражайларға тек тасымалдау құны – 23,40 АҚШ доллары төленуімен берді. Шамамен 7000 плитка қолжетімді болды, бірінші келгенге бірінші кезекте берілді, бірақ әрбір мекемеге бір плиткадан ғана берілді.