Войти
Воздушная обсерватория Койпера получила инфракрасный снимок изображение нижней части Columbia во время входа в атмосферу STS-3 для изучения температур. Орбитальный аппарат имел высоту 56 км (184000 футов) и двигался со скоростью 15,6 Маха. 
Спейс шаттл Discovery приближается к Международной космической станции во время STS-114 28 июля 2005 года. 22>Система тепловой защиты (TPS) Space Shuttle - это барьер, который защищал Space Shuttle Orbiter во время обжигания 1650 ° C (3000 ° F ) теплота входа в атмосферу. Вторичной целью была защита от жары и холода космоса во время нахождения на орбите.
Обычная система защиты для орбитального корабля 103 и последующих орбитальных аппаратов 
«Попытка» в музее, демонстрирующая плитки возле двери TPS покрывала практически всю поверхность орбитального корабля и состояла из семи различных материалов в различных местах в зависимости от требуемой тепловой защиты:
Каждый тип TPS имеет удельную теплозащиту, ударопрочность и весовые характеристики, которые определяют места, где он был использован, и используемое количество.
TPS шаттла имеет три ключевых характеристики, которые отличают его от TPS, использовавшихся на предыдущих космических кораблях:
Подкрыльные поверхности Discovery защищены тысячами высокотемпературных многоразовых изоляционных плиток. Алюминиевая конструкция орбитального корабля не выдерживает температуры выше 175 ° C (347 ° F) без разрушения конструкции. Аэродинамический нагрев во время входа в атмосферу поднимал бы температуру значительно выше этого уровня в некоторых областях, поэтому требовался эффективный изолятор.
Более подробный вид плиток под носовой частью фюзеляжа и передней частью левого крыла. В левом нижнем углу можно увидеть угол дверцы носового шасси. Темно-сплошные черные плитки - новые, которые еще не прошли повторный вход. (Наверху белый объект - это открытая левая дверь грузового отсека.) Подогрев при входе отличается от обычного атмосферного нагрева, связанного с реактивным самолетом, и это определяет конструкцию и характеристики TPS. Кожа высокоскоростного реактивного самолета также может нагреваться, но это происходит из-за нагрева от трения из-за атмосферного трения, подобно нагреванию рук при их трении друг о друга. Орбитальный аппарат повторно вошел в атмосферу в виде тупого тела, имея очень высокий (40 °) угол атаки, а его широкая нижняя поверхность была обращена в направлении полета. Более 80% тепла, которое испытывает орбитальный аппарат при входе в атмосферу, вызвано сжатием воздуха впереди гиперзвукового летательного аппарата в соответствии с основным термодинамическим соотношением между давлением и температурой. Перед аппаратом образовалась горячая ударная волна, которая отклонила большую часть тепла и предотвратила прямой контакт поверхности орбитального аппарата с пиковым нагревом. Следовательно, повторный нагрев был в основном конвективной теплопередачей между ударной волной и кожей орбитального аппарата через перегретую плазму. Ключом к многоразовому экрану от этого типа нагрева является материал очень низкой плотности, аналогично тому, как термос препятствует конвективной теплопередаче.
Некоторые жаропрочные металлические сплавы могут выдерживать повторный вход высокая температура; они просто нагреваются и повторно излучают поглощенное тепло. Этот метод, называемый теплоотводом тепловой защитой, был разработан для крылатого космического корабля X-20 Dyna-Soar. Однако количество высокотемпературного металла, необходимого для защиты большого корабля, такого как орбитальный аппарат космического шаттла, было бы очень большим и повлекло бы за собой серьезное ухудшение его характеристик. Точно так же абляционный TPS будет тяжелым, возможно, нарушит аэродинамику транспортного средства, поскольку он сгорит при входе в атмосферу, и потребует значительного технического обслуживания для повторного применения после каждой миссии. (К сожалению, плитка TPS, которая изначально была указана так, чтобы не допускать ударов обломков во время запуска, на практике также требовала тщательного осмотра и ремонта после каждой посадки из-за повреждений, которые неизменно возникали во время всплытия, даже до того, как были установлены новые правила проверки на орбите. после потери корабля космического корабля "Колумбия".)
кремнеземная плитка от Атлантиды TPS представляла собой систему различных типов защиты, а не просто кремнеземная плитка. Они делятся на две основные категории: TPS плитки и TPS без плитки. В качестве основных критериев выбора использовалась самая легкая защита от веса, способная выдерживать тепло в заданном помещении. Однако в некоторых случаях использовался более тяжелый тип, если требовалась дополнительная ударопрочность. Одеяла FIB были в первую очередь приняты для упрощенного обслуживания, а не из соображений температуры или веса.
Большая часть челнока была покрыта плиткой LI-900 силика , сделанной по существу из очень чистого кварцевого песка. Изоляция препятствовала передаче тепла к обшивке и структуре нижележащего корабля из алюминия. Эти плитки были настолько плохими проводниками тепла, что их можно было держать за края, пока они были раскалены докрасна. На транспортном средстве было индивидуально размещено около 24 300 уникальных плиток, за что орбитальный аппарат получил название «летающий кирпичный завод». Исследователи из Университета Миннесоты и Государственного университета Пенсильвании проводят атомистическое моделирование, чтобы получить точное описание взаимодействий между атомарным и молекулярным кислородом с поверхностями диоксида кремния с целью разработки более эффективных систем защиты от окисления при высоких температурах. для передних кромок гиперзвуковых аппаратов.
Плитки не крепились к аппарату механически, а приклеивались. Так как хрупкие плитки не могли сгибаться с подстилающей обшивкой транспортного средства, они были приклеены к войлоку Nomex изолирующим деформацию подушкам (SIP) с помощью силиконового клея вулканизации при комнатной температуре (RTV), который находился в поворот приклеен к коже орбитального аппарата. Они изолировали плитки от структурных отклонений и расширений орбитального аппарата.
Плитка HRSI. Обратите внимание на желтые метки, которые обозначают его точное местоположение на орбитальном аппарате. Черные плитки HRSI обеспечивали защиту от температур до 1260 ° C (2300 ° F). Было 20 548 плиток HRSI, которые покрывали двери шасси, внешний бак соединительные люки шлангокабеля и остальную часть нижней поверхности орбитального аппарата. Они также использовались на участках верхней носовой части фюзеляжа, частей блоков системы орбитального маневрирования, передней кромки вертикального стабилизатора, задней кромки элевона и поверхности закрылка верхней части корпуса. Их толщина варьировалась от 1 до 5 дюймов (от 2,5 до 12,7 см), в зависимости от тепловой нагрузки, возникающей при входе в атмосферу. За исключением закрытых участков, эти плитки обычно имели квадрат 6 на 6 дюймов (15 на 15 см). Плитка HRSI состоит из волокон диоксида кремния высокой чистоты. Девяносто процентов объема плитки было пустым, что придавало ей очень низкую плотность (9 фунтов / куб футов или 140 кг / м), что делало ее достаточно легкой для космических полетов. Плитки без покрытия были ярко-белыми и больше походили на прочную керамику, чем на пенопласт, которым они были.
Черным покрытием на плитках было реакционно-отвержденное стекло (RCG), в состав которого входило боросиликатное стекло. RCG был нанесен на все, кроме одной стороны плитки, чтобы защитить пористый диоксид кремния и улучшить свойства теплоотвода. Покрытие отсутствовало на небольшом краю сторон, примыкающих к непокрытой (нижней) стороне. Для гидроизоляции плитки шприцем в нее вводили диметилэтоксисилан. Уплотнение плитки с помощью тетраэтилортосиликата (TEOS) также помогло защитить кремнезем и добавило дополнительную гидроизоляцию.
Плитка из HRSI без покрытия, которую держат в руке, выглядит как очень легкий пенопласт, менее плотный, чем пенополистирол, и с нежным, рыхлым материалом необходимо обращаться с особой осторожностью, чтобы не повредить его.. Покрытие похоже на тонкую твердую оболочку и заключает в себе белую изолирующую керамику, чтобы уменьшить ее хрупкость, за исключением стороны без покрытия. Даже плитка с покрытием кажется очень легкой, легче, чем кусок пенополистирола такого же размера. Как и ожидалось от кремнезема, они не имеют запаха и инертны.
HRSI был в первую очередь разработан, чтобы выдерживать переход из областей с чрезвычайно низкой температурой (пустота, около −270 ° C или −454 ° F) к высоким температуры входа 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).
Черные плитки FRCI обеспечивают повышенную прочность, устойчивость к растрескиванию покрытия и снижение веса. Некоторые плитки HRSI были заменены на этот тип.
Более прочная и жесткая плитка, которая начала использоваться в 1996 году. Плитка TUFI выпускалась в высокотемпературных черных версиях для использования в нижней части орбитального аппарата и белые версии с более низкой температурой для использования на верхней части тела. Хотя белые версии более устойчивы к ударам, чем другие плитки, они проводят больше тепла, что ограничивает их использование верхней частью корпуса орбитального корабля и областью главного двигателя. Черные версии имели достаточную теплоизоляцию для нижней части орбитального аппарата, но имели больший вес. Эти факторы ограничили их использование в определенных областях.
Белого цвета, они покрывали верхнее крыло около передней кромки. Они также использовались в отдельных областях носовой, средней и кормовой частей фюзеляжа, вертикального оперения и контейнеров OMS / RCS. Эти плитки защищали области, где температура на входе ниже 1200 ° F (649 ° C). Плитки LRSI производились таким же образом, как и плитки HRSI, за исключением того, что плитки имели квадрат 8 на 8 дюймов (20 на 20 см) и имели белое покрытие RCG, изготовленное из соединений кремнезема с блестящим оксидом алюминия. Белый цвет был разработан специально и помогал управлять тепловым потоком на орбите, когда орбитальный аппарат подвергался воздействию прямых солнечных лучей.
Эти плитки можно было повторно использовать до 100 миссий с ремонтом (100 миссий также были расчетным сроком службы каждого орбитального аппарата). Они были тщательно проверены в Цехе обработки орбитального корабля после каждой миссии, и поврежденные или изношенные плитки были немедленно заменены перед следующей миссией. При необходимости между плитками также вставлялись тканевые листы, известные как заполнители зазоров. Это обеспечивало плотное прилегание плиток, предотвращая проникновение избыточной плазмы между ними, но при этом допускало тепловое расширение и изгиб нижележащей обшивки автомобиля.
До появления одеял FIB плитки LRSI занимали все области, которые теперь покрыты одеялами, включая верхний фюзеляж и всю поверхность контейнеров OMS. Эта конфигурация TPS использовалась только на Columbia и Challenger.
Разработано после первоначальной поставки Колумбии и впервые использовано на Модули OMS Challenger. Этот белый волокнистый кремнеземный материал низкой плотности имел внешний вид, напоминающий лоскутное одеяло, и заменил подавляющее большинство плиток LRSI. Они требовали гораздо меньшего ухода, чем плитки LRSI, но обладали примерно такими же тепловыми свойствами. После их ограниченного использования на Challenger, они использовались гораздо более широко, начиная с Discovery, и заменили многие плитки LRSI на Колумбии после потери Challenger.
Светло-серый материал, выдерживающий температуру входа до 1510 ° C (2750 ° F), защищал передние кромки крыла и носовую часть крыла. Каждое из крыльев орбитального аппарата имело 22 панели RCC толщиной от ⁄ 4 до ⁄ 2 дюймов (от 6,4 до 12,7 мм). Т-образные уплотнения между каждой панелью обеспечивали тепловое расширение и поперечное 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 пиролизовали для превращения смолы в чистый углерод. Затем он был пропитан спиртом фурфурол в вакуумной камере, затем отвержден и снова пиролизован для превращения фурфуролового спирта в углерод. Этот процесс повторяли трижды, пока не были достигнуты желаемые углерод-углеродные свойства.
Чтобы обеспечить стойкость к окислению для возможности повторного использования, внешние слои RCC были покрыты карбидом кремния. Покрытие из карбида кремния защищает углерод-углерод от окисления. ПКР обладал высокой устойчивостью к усталостным нагрузкам, возникающим при подъеме и заходе на посадку. Он был прочнее плиток и также использовался вокруг гнезда передней точки крепления орбитального корабля к внешнему резервуару, чтобы выдерживать ударные нагрузки от взрыва взрывного болта. ПКР был единственным материалом TPS, который также служил структурной опорой для части аэродинамической формы орбитального аппарата: передних кромок крыла и носовой части. Все остальные компоненты TPS (плитки и одеяла) были установлены на поддерживающих их конструкционных материалах, в основном на алюминиевой раме и обшивке орбитального корабля.
Эта белая гибкая ткань обеспечивает защиту при температуре до 371 ° C (700 ° F). FRSI покрывала верхние поверхности крыла орбитального аппарата, двери верхнего отсека полезной нагрузки, части контейнеров OMS / RCS и кормовую часть фюзеляжа.
Заполнители зазоров размещались у дверей и движущихся поверхностей, чтобы минимизировать нагрев за счет предотвращения образования вихрей. Двери и движущиеся поверхности создавали открытые щели в системе теплозащиты, которые приходилось защищать от тепла. Некоторые из этих промежутков были безопасными, но на тепловом экране были некоторые области, где градиенты поверхностного давления вызывали поперечный поток воздуха пограничного слоя в этих промежутках.
Наполнители были изготовлены либо из белых волокон AB312, либо из черных тканевых покрытий AB312 (которые содержат волокна оксида алюминия). Эти материалы использовались вокруг передней кромки носовой части, лобового стекла, 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 выбита и определена как потенциальная угроза безопасности. Вполне возможно, что заполнитель зазора может вызвать турбулентный поток воздуха дальше по фюзеляжу, что приведет к гораздо более сильному нагреву, потенциально повреждая 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 силикагель и FIB, поэтому его можно было ограничить относительно небольшими площадями. В целом цель состояла в том, чтобы использовать максимально легкую изоляцию, соответствующую требуемой тепловой защите. Плотность каждого типа TPS:
| Материал | Плотность | |
|---|---|---|
| (кг / м³ ) | () | |
| Армированный углерод-углерод | 1986 | 124 |
| LI-2200 плитки | 352 | 22 |
| Волокнистый огнеупорного композитного изоляции плитки | 192 | 12 |
| LI-900 плитка (черная или белая) | 144 | 9 |
| Гибкие изоляционные покрытия | 144 | 9 |
Общая площадь и вес каждого типа TPS (использовались на Orbiter 102 до 1996 года):
| Тип TPS | Цвет | Площадь (м) | Плотность (кг / м) | Вес (кг) |
|---|---|---|---|---|
| Войлочная поверхность многоразового использования изоляция | Белый | 332,7 | 1,6 | 532,1 |
| Низкотемпературная многоразовая поверхностная изоляция | Не совсем белый | 254.6 | 3.98 | 1014.2 |
| Высокотемпературная многоразовая поверхностная изоляция | Черный | 479,7 | 9,2 | 4412,6 |
| Армированный углерод-углерод | Светло-серый | 38,0 | 44,7 | 1697,3 |
| Разное | 918,5 | |||
| Итого | N /A | 1105.0 | N/A | 8574.4 |
Columbia на Orbiter Processing Facility после его прибытие в Космический центр Кеннеди 25 марта 1979 года, показав много недостающих плиток. 7800 из 31000 плиток все еще предстояло прикрепить. Плитки часто отваливались, что в значительной степени приводило к задержке запуска STS-1, первой миссии шаттла, которая первоначально была запланирована на 1979 год, но все же состоялась. не произойдет до апреля 1981 года. НАСА не привыкло к длительным задержкам в своих программах и находилось под сильным давлением со стороны правительства и вооруженных сил с целью скорейшего запуска. В марте 1979 года он перевез незавершенную Колумбию с отсутствием 7 800 из 31 000 плиток с завода Rockwell International в Палмдейле, Калифорния в Космический центр Кеннеди в Флорида. Помимо создания видимости прогресса в программе, НАСА надеялось, что укладка плитки будет завершена, пока остальная часть орбитального аппарата будет подготовлена. Это было ошибкой; некоторые плиточники Rockwell не любили Флориду и вскоре вернулись в Калифорнию, а Центр обработки орбитальных аппаратов не был спроектирован для производства и был слишком мал для 400 рабочих.
На каждой плитке использовался необходимый цемент. 16 часов до лечения. 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 для установки одной плитки; благодаря использованию молодых, эффективных студентов колледжа летом темп работы увеличился до 1,8 плитки на одного работника в неделю. Тысячи плиток не прошли стресс-тесты, и их пришлось заменить. К осени в НАСА поняли, что скорость тайлинга определит дату запуска. Плитки были настолько проблематичными, что чиновники переключились бы на любой другой метод термозащиты, но другого не существовало.
Поскольку его нужно было переправить без всех плиток, промежутки были заполнены материалом для поддержания аэродинамики Шаттла во время полета.
TPS плитки вызывал беспокойство при разработке шаттла, главным образом в отношении надежности сцепления. Некоторые инженеры полагали, что может существовать режим отказа, при котором одна плитка может оторваться, и возникающее аэродинамическое давление создаст «эффект застежки-молнии», срывающий другие плитки. Во время восхождения или во время входа результат будет катастрофическим.
Другой проблемой было столкновение льда или другого мусора с плитками во время подъема. Эта проблема так и не была решена полностью и тщательно, поскольку обломки никогда не убирались, и плитки оставались уязвимыми для повреждений. Последняя стратегия НАСА по смягчению этой проблемы заключалась в том, чтобы активно осматривать, оценивать и устранять любые повреждения, которые могут возникнуть во время нахождения на орбите и до входа в атмосферу, а также на земле между полетами.
Эти опасения были настолько серьезными, что НАСА провело значительную работу по разработке комплекта для ремонта плитки для аварийного использования, который экипаж STS-1 мог использовать перед спуском 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 Manned Maneuvering Unit, или MMU, разработанным Мартином Мариеттой.
Еще одним элементом была маневренная рабочая платформа, которая могла бы прикрепить космического астронавта с MMU-двигателем к хрупким плитам под орбитальным аппаратом. В этой концепции использовались клейкие чашки с электрическим управлением, которые фиксировали рабочую платформу на ровной поверхности плитки. Примерно за год до запуска STS-1 в 1981 году НАСА решило, что ремонтные возможности не стоят дополнительного риска и обучения, поэтому прекратили разработку. Были нерешенные проблемы с инструментами и техниками ремонта; также дальнейшие испытания показали, что плитки вряд ли откроются. Во время первого полета шаттла было несколько потерь плитки, но они были в некритических областях, и никакого «эффекта застежки» не произошло.
1 февраля 2003 г. космический шаттл Колумбия был разрушен при входе в атмосферу из-за отказа TPS. Группа по расследованию обнаружила и сообщила, что вероятная причина аварии заключалась в том, что во время запуска кусок поролона пробил панель RCC на передней кромке левого крыла и позволил горячим газам от входящего в атмосферу попасть в крыло. и разрушить крыло изнутри, что в конечном итоге приведет к потере управления и поломке шаттла.
Система тепловой защиты космического корабля Space Shuttle получила ряд средств управления и модификаций после катастрофы. Они были применены к трем оставшимся шаттлам: Discovery, Atlantis и Endeavour при подготовке к последующим запускам миссии в космос.
В ходе миссии STS-114 2005 года, в ходе которой Discovery совершил первый полет после аварии в Колумбии, НАСА предприняло ряд шагов, чтобы убедиться, что TPS не был поврежден. Система датчиков орбитальной стрелы длиной 50 футов (15 м), новое расширение системы дистанционного манипулятора, использовалась для получения лазерного изображения TPS с целью выявления повреждений. Перед стыковкой с Международной космической станцией, Discovery выполнил маневр рандеву с тангажем, просто вращение назад на 360 °, что позволило сфотографировать все области корабля с МКС. Два заполнителя зазора выступали из нижней части орбитального аппарата больше, чем номинально разрешенное расстояние, и агентство осторожно решило, что лучше попытаться удалить заполнители или отрезать их заподлицо, чем рисковать из-за повышенного нагрева, который они вызовут. Несмотря на то, что каждая из них выступала менее чем на 3 см (1,2 дюйма), считалось, что их оставление может вызвать повышение нагрева на 25% при повторном входе.
Поскольку орбитальный аппарат не имел каких-либо опор на нижней стороне (поскольку они вызывали бы гораздо больше проблем с нагревом входа, чем выступающие заполнители зазора), астронавт Стивен К. Робинсон работал с роботизированная рука МКС, Canadarm2. Поскольку плитки TPS были довольно хрупкими, высказывались опасения, что любой, кто будет работать под транспортным средством, может нанести ему больше повреждений, чем уже было, но официальные лица НАСА посчитали, что оставлять только заполнители зазоров было большим риском. В этом случае Робинсон смог вытащить заполнители зазоров вручную и не причинил повреждений TPS на Discovery.
С 2010 года, с приближающимся выходом на пенсию космического челнока, НАСА жертвует плитки TPS школам, университетам и музеям на оплату доставки - 23,40 доллара США за штуку. Около 7000 плиток были доступны по принципу в порядке очереди, но не более одного для каждого учреждения.
 | Викиновости имеют связанные новости: |
