Теплозащитная система космического шаттла

Введение

Система тепловой защиты космического шаттла

Система тепловой защиты космического шаттла (TPS) — это барьер, который защищал орбитальный аппарат шаттла от обжигающего жара при возвращении в атмосферу. Вторичной задачей была защита от жары и холода космоса во время пребывания на орбите.

Цель

Алюминиевая конструкция орбитального аппарата не выдерживала температур выше допустимой, что приводило к разрушению конструкции. Аэродинамический нагрев при возвращении в атмосферу повышал бы температуру в отдельных областях до значений, значительно превышающих эту отметку, поэтому требовалась эффективная теплоизоляция.

Отопление при входе в атмосферу

Нагрев при возврате в атмосферу отличается от обычного атмосферного нагрева, связанного с реактивными самолетами, и это определяло конструкцию и характеристики теплозащитной системы (TPS). Обшивка высокоскоростных реактивных самолетов также может нагреваться, но это происходит из-за трения, вызванного атмосферным сопротивлением, подобно тому, как согреваются руки при трении друг о друга. Орбитальный аппарат вошел в атмосферу в виде тупого тела, имея очень высокий (40°) угол атаки, с широкой нижней поверхностью, направленной в сторону полета. Более 80% нагрева, испытываемого орбитальным аппаратом при возврате в атмосферу, вызвано сжатием воздуха перед гиперзвуковым аппаратом в соответствии с базовым термодинамическим соотношением между давлением и температурой. Перед аппаратом образовалась горячая ударная волна, которая отклоняла большую часть тепла и предотвращала прямой контакт поверхности орбитального аппарата с пиковой температурой. Таким образом, нагрев при возврате в атмосферу в основном представлял собой конвективный теплообмен между ударной волной и обшивкой орбитального аппарата через перегретую плазму. На аппарате было установлено около 24 300 уникальных плиток, за что орбитальный аппарат получил прозвище "летающая кирпичная фабрика". Исследователи из Университета Миннесоты и Университета штата Пенсильвания проводят атомистическое моделирование для получения точного описания взаимодействия атомного и молекулярного кислорода с поверхностями диоксида кремния с целью разработки более эффективных систем защиты от высокотемпературного окисления для передних кромок гиперзвуковых аппаратов. Плитки не были механически закреплены на аппарате, а приклеены. Поскольку хрупкие плитки не могли деформироваться вместе с обшивкой аппарата, они были приклеены к демпфирующим прокладкам для изоляции деформаций (SIP) из материала Nomex с использованием силиконового клея, вулканизирующегося при комнатной температуре (RTV), которые, в свою очередь, были приклеены к обшивке орбитального аппарата. Эти прокладки изолировали плитки от структурных деформаций и расширений орбитального аппарата.

Высокотемпературная многоразовая поверхностная изоляция (HRSI)

Черные плитки HRSI обеспечивали защиту от температур до . В общей сложности было 20 548 плиток HRSI, которые покрывали двери шасси, наружные двери для подключения пуповины внешнего бака и остальную часть нижней поверхности орбитального аппарата. Они также использовались в областях верхнего переднего фюзеляжа, частях капсул орбитальной маневрирующей системы, передней кромки вертикального стабилизатора, задних кромок элевонов и верхней поверхности корпуса. Их толщина варьировалась от , в зависимости от тепловой нагрузки, возникающей при возвращении в атмосферу. За исключением закрывающих зон, эти плитки обычно имели квадратную форму. Плитка HRSI состояла из высокочистых волокон кремнезема. Девяносто процентов объема плитки приходилось на пустое пространство, что обеспечивало ей очень низкую плотность и делало достаточно легкой для космических полетов. RCG наносился 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 гидроизоляции плитки диметилэтоксисилан вводился в плитку с помощью шприца. Уплотнение плитки тетраэтилортосиликатом (TEOS) также помогало защитить кремнезем и обеспечивало дополнительную гидроизоляцию. Непокрытая плитка HRSI, удерживаемая в руке, ощущается как очень легкая пена, менее плотная, чем пенополистирол, и этот деликатный, хрупкий материал необходимо обрабатывать с особой осторожностью, чтобы предотвратить повреждение. Покрытие ощущается как тонкая, твердая оболочка, которая заключает в себе белую изолирующую керамику, устраняя ее хрупкость, за исключением непокрытой стороны. Даже покрытая плитка кажется очень легкой, легче аналогичного по размеру куска пенополистирола. Как и следовало ожидать от кремнезема, они не имеют запаха и инертны. HRSI была разработана главным образом для выдерживания перехода из областей с экстремально низкой температурой (космический вакуум, около ) к высоким температурам при возвращении в атмосферу (вызванным взаимодействием, в основном сжатием при гиперзвуковом ударе, между газами верхних слоев атмосферы и корпусом космического шаттла, обычно около ). Этот белый, низкоплотный, волокнистый материал на основе кремнезема имел вид стеганого одеяла и заменил подавляющее большинство плиток LRSI. Они требовали гораздо меньше обслуживания, чем плитки LRSI, но при этом обладали примерно такими же тепловыми свойствами. После ограниченного использования на "Челленджере" они стали использоваться гораздо шире, начиная с "Дискавери", и заменили многие плитки LRSI на "Колумбии" после гибели "Челленджера".

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.

Углерод-углерод (RCC)

Светло-серый материал, выдерживавший температуры при входе в атмосферу до , защищал передние кромки крыла и носовой обтекатель. Каждое крыло орбитального аппарата имело 22 панели RCC толщиной около . Т-образные уплотнители между каждой панелью обеспечивали тепловое расширение и боковое смещение между панелями и крылом. RCC представлял собой многослойный композитный 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 в вакуумной камере он пропитывался фурфуриловым спиртом, после чего снова отверждался и подвергался пиролизу для преобразования фурфурилового спирта в углерод. Этот процесс повторялся три раза до достижения требуемых углерод-углеродных свойств. Для обеспечения стойкости к окислению и возможности повторного использования внешние слои RCC покрывались карбидом кремния. Покрытие из карбида кремния защищало углерод-углеродный материал от окисления. RCC обладал высокой устойчивостью к усталостным нагрузкам, возникающим при взлете и входе в атмосферу. Он был прочнее теплозащитных плиток и также использовался вокруг гнезда передней точки крепления орбитального аппарата к внешнему топливному баку для компенсации ударных нагрузок от взрывного соединения. RCC был единственным материалом тепловой защиты, который также служил структурной опорой для части аэродинамической формы орбитального аппарата: передних кромок крыла и носового обтекателя. Все остальные компоненты тепловой защиты (плитки и термоизоляционные одеяла) крепились к конструктивным элементам, которые их поддерживали, в основном к алюминиевому каркасу и обшивке орбитального аппарата.

Изоляция поверхности, используемая повторно, из кожи Nomex (FRSI)

Эта белая, гибкая ткань обеспечивала защиту при воздействии температур до FRSI и покрывала верхние поверхности крыла орбитального аппарата, верхние двери грузового отсека, части модулей OMS/RCS и хвостовую часть фюзеляжа.

Заполнители пробелов

На дверях и подвижных поверхностях были установлены заполнители для минимизации нагрева путем предотвращения образования вихрей. Двери и подвижные поверхности создавали открытые зазоры в системе теплозащиты, которые требовалось защитить от воздействия тепла. Некоторые из этих зазоров были безопасны, но на тепловом щите были участки, где градиенты поверхностного давления вызывали перекрестный поток воздуха в пограничном слое в этих зазорах. Заполнители изготавливались из белых волокон AB312 или черных тканевых чехлов AB312 (содержащих волокна оксида алюминия). Эти материалы использовались вокруг передней кромки носового обтекателя, лобовых стекол, бокового люка, крыла, задней кромки элевонов, вертикального стабилизатора, руля направления/тормоза-закрылка, закрылков корпуса и теплового щита основных двигателей шаттла. Во время STS-114 часть этого материала была отслоена и признана представлять потенциальную угрозу безопасности. Существовала вероятность, что заполнитель мог спровоцировать турбулентный воздушный поток вдоль фюзеляжа, что привело бы к значительному увеличению нагрева и потенциальному повреждению орбитального аппарата. Ткань была удалена во время выхода в открытый космос в ходе миссии.

Медленное нанесение плитки

Плитки часто отваливались и существенно задерживали запуск STS-1, первой миссии космического корабля "Спейс Шаттл", первоначально запланированной на 1979 год, но состоявшейся лишь в апреле 1981 года. НАСА не привыкло к длительным задержкам в своих программах и испытывало сильное давление со стороны правительства и военных с целью скорейшего запуска. В марте 1979 года неполный корабль "Колумбия", с 7800 из 31000 недостающих плиток, был перевезен с завода Rockwell International в Палмдейле, штат Калифорния, в Космический центр имени Кеннеди во Флориде. Помимо создания видимости прогресса в программе, НАСА надеялось завершить облицовку плитками, пока готовится остальная часть орбитального аппарата. Это оказалось ошибкой: некоторые плиточники Rockwell не захотели работать во Флориде и вскоре вернулись в Калифорнию, а Орбитальный технологический комплекс не был предназначен для производства и был слишком мал для 400 рабочих. Для установки каждой плитки использовался цемент, которому требовалось 16 часов для затвердевания. После приклеивания плитки к цементу, ее удерживали на месте еще 16 часов с помощью домкрата. В марте 1979 года на установку одной плитки уходило 40 часов рабочего времени; благодаря привлечению молодых и эффективных студентов в летние месяцы, темп увеличился до 1,8 плитки на рабочего в неделю. Тысячи плиток не выдержали испытаний на прочность и потребовали замены. Осенью НАСА осознало, что скорость облицовки плитками будет определять дату запуска. Плитки оказались настолько проблемными, что представители НАСА согласились бы на любой другой метод тепловой защиты, но альтернативы не существовало. Поскольку корабль должен был быть перевезен без всех плиток, зазоры заполнялись материалом для сохранения аэродинамических свойств шаттла во время транспортировки.

Опасения по поводу "эффекта застежки"

ТПП вызывала опасения на этапе разработки шаттлов, главным образом в отношении надёжности сцепления. Некоторые инженеры полагали, что существует возможный сценарий отказа, при котором отрыв одной плитки мог привести к возникновению "эффекта молнии", срывая другие плитки. Независимо от того, произойдёт это при взлёте или при возвращении в атмосферу, последствия будут катастрофическими.

Опасения по поводу обрыва мусора

Другой проблемой было воздействие льда или другого мусора на теплозащитные плитки во время старта. Эта проблема никогда не была полностью и окончательно решена, поскольку источник мусора не был устранен, и плитки оставались уязвимыми для повреждений. Окончательной стратегией NASA по смягчению этой проблемы было активное выявление, оценка и устранение любых повреждений, которые могли возникнуть как на орбите и перед спуском, так и на Земле между полетами.

Первые планы ремонта плитки

Эти опасения были настолько серьезными, что NASA провела значительную работу по разработке комплекта для экстренного ремонта теплозащитных плиток, который экипаж STS-1 мог бы использовать перед спуском с орбиты. К декабрю 1979 года были завершены прототипы и первые процедуры, в основном включавшие оснащение астронавтов специальным набором для ремонта в космосе и реактивным ранцем под названием Manned Maneuvering Unit (MMU), разработанным компанией Martin Marietta. Другим элементом была маневренная рабочая платформа, которая должна была надежно закрепить астронавта, использующего MMU для выхода в открытый космос, у хрупких плиток под орбитальным аппаратом. В концепции использовались электрически управляемые присоски, которые фиксировали рабочую платформу на гладкой поверхности плитки. Примерно за год до запуска STS-1 в 1981 году NASA пришла к выводу, что возможность ремонта не оправдывает дополнительных рисков и затрат на обучение, и поэтому прекратила разработку. Оставались нерешенные проблемы с инструментами и технологиями ремонта; кроме того, дальнейшие испытания показали, что плитки вряд ли отпадут. Первая миссия шаттла действительно потеряла несколько плиток, но в некритических зонах, и так называемого "эффекта молнии" не произошло.

Авария в Колумбии и ее последствия

1 февраля 2003 года космический шаттл «Колумбия» был уничтожен при возвращении в атмосферу из-за неисправности системы тепловой защиты (TPS). Следственная группа установила и сообщила, что наиболее вероятной причиной аварии стало то, что во время старта кусок пенопласта пробил панель RCC на передней кромке левого крыла, что позволило горячим газам при входе в атмосферу проникнуть внутрь крыла и разрушить его изнутри, что привело к потере управления и разрушению шаттла. После катастрофы система тепловой защиты шаттла была подвергнута ряду проверок и модификаций. Они были применены к трем оставшимся шаттлам – «Дискавери», «Атлантис» и «Эндевор» – в рамках подготовки к последующим космическим миссиям. В ходе миссии STS-114 в 2005 году, когда «Дискавери» совершил первый полет после аварии «Колумбии», NASA предприняло ряд мер для проверки целостности TPS. Для лазерного сканирования TPS и выявления повреждений была использована 15-метровая система датчиков на стреле-манипуляторе (Orbiter Boom Sensor System) – новое расширение системы дистанционного управления. Перед стыковкой с Международной космической станцией «Дискавери» выполнил маневр Rendezvous Pitch – простой переворот на 360 градусов, позволивший сфотографировать все части корабля с МКС. Два заполнителя выступали из нижней части орбитального аппарата на большее, чем допустимое, расстояние, и агентство осторожно решило, что лучше попытаться удалить их или срезать заподлицо, чем рисковать усиленным нагревом. Несмотря на то, что каждый из них выступал менее чем на , считалось, что их оставление может привести к увеличению нагрева на 25% при возвращении в атмосферу. Поскольку на нижней стороне орбитального аппарата не было ручек (так как они могли создать гораздо большие проблемы с нагревом при повторном входе, чем выступающие заполнители), астронавт Стивен К. Робинсон работал с роботизированной рукой МКС Canadarm2. В связи с хрупкостью плиток TPS, существовала опаска, что работа под кораблем может привести к большим повреждениям, чем уже имеющиеся, однако представители NASA сочли, что оставление заполнителей без внимания представляло большую опасность. В итоге Робинсону удалось извлечь заполнители вручную, не повредив TPS «Дискавери».

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.

Пожертвования плитки

С приближением завершения программы Space Shuttle, NASA передавала плитки TPS школам, университетам и музеям, покрывая лишь стоимость доставки – 23,40 доллара США за каждую. Было доступно около 7000 плиток, распределяемых по принципу «первый пришел – первый получил», но не более одной плитки на учреждение.