СИСТЕМИ ЗА КОСМИЧЕН ШОТЛ ОРБИТЪР

HRSI плочките

    Системата за термична защита се състои от различни материали, нанесени външно върху външната структурна обвивка на орбиталния апарат, за да поддържа кожата в приемливи температури, главно по време на фазата на влизане в мисията. Външната структурна обвивка на орбита е изградена предимно от алуминий и графитен епоксид.

По време на влизането TPS материалите предпазват външната обвивка на орбитата от температури над 350 F. Освен това те могат да се използват повторно за 100 мисии с обновяване и поддръжка. Тези материали се представят в температурни диапазони от минус 250 F при студено накисване на пространството до входни температури, които достигат близо 3000 F. TPS също така поддържа силите, предизвикани от отклоненията на орбиталния корпус, тъй като реагира на различните външни среди. Тъй като системата за термична защита е инсталирана от външната страна на обвивката на орбиталния апарат, тя установява аеродинамиката на превозното средство в допълнение към това да действа като радиатор.

Вътрешните температури на Orbiter също се контролират чрез вътрешна изолация, нагреватели и техники за продухване в различните фази на мисията.

TPS е пасивна система, състояща се от материали, избрани за стабилност при високи температури и ефективност на теглото. Тези материали са както следва:

1. Подсилен въглерод-въглерод се използва върху предните ръбове на крилото; капачката на носа, включително зона непосредствено зад носната капачка на долната повърхност (панел на машината); и непосредствената зона около предния орбитален/външен конструктивен елемент на резервоара. RCC защитава зони, където температурите надвишават 2300 F по време на влизане.

2. Черни високотемпературни плочки за изолация за многократна употреба се използват в зони на горния преден фюзелаж, включително около прозорците на предния фюзелаж; цялата долна страна на превозното средство, където RCC не се използва; части от орбиталната система за маневриране и системата за контрол на реакцията шушулки; предните и задните ръбове на вертикалния стабилизатор; зони за ръкавици на крила; задни ръбове на elevon; в съседство с RCC на горната повърхност на крилото; основният топлинен щит; интерфейсът с преден ръб на крилото RCC; и повърхността на горната част на тялото. HRSI плочките защитават зони, където температурите са под 2300 F. Тези плочки имат черно повърхностно покритие, необходимо за входяща емитация.

3. Черни плочки, наречени влакнести огнеупорни композитни изолации, са разработени по-късно в програмата на системата за термична защита. FRCI плочките заменят някои от HRSI плочките в избрани области на орбита.

4. Нискотемпературни повърхностни изолационни бели плочки се използват в избрани зони на предния, средния и задния фюзелаж; вертикална опашка; горно крило; и OMS/RCS подс. Тези плочки защитават зони, където температурите са под 1200 F. Тези плочки имат бяло повърхностно покритие, за да осигурят по-добри топлинни характеристики на орбитата.

5. След първоначалната доставка на Колумбия от монтажната база на Rockwell International в Палмдейл, беше разработена усъвършенствана гъвкава повърхностна изолация за многократна употреба. Този материал се състои от пришита композитна ватирана изолация от вата между два слоя бяла тъкан, които са зашити заедно, за да образуват ватирано одеяло. AFRSI е използван в Discovery и Atlantis, за да замени по-голямата част от плочките LRSI. След седмия си полет Колумбия също беше модифицирана, за да замени повечето от плочките LRSI с AFRSI. Одеялата AFRSI осигуряват подобрена производителност и издръжливост, намалено време за производство и монтаж и разходи, както и намаление на теглото в сравнение с LRSI плочките. Одеялата AFRSI защитават зони, където температурите са под 1200 F.

6. Бели одеяла, изработени от повърхностно изолирана повърхностна изолация от Nomex, се използват върху горните врати на отсека на полезния товар, части от средния и задния фюзелаж, части от горната повърхност на крилото и част от OMS/RCS шушулките. Одеялата FRSI защитават зони, където температурите са под 700 F.

7. Допълнителни материали се използват в други специални области. Тези материали са термични стъкла за прозорци; метал за обтекатели на системата за управление на реакцията напред и елевонни уплътнителни панели в горното крило към елевон интерфейс; комбинация от бял и черен пигментиран силициев плат за термични бариери и пълнители на пролуки около работещи пробиви, като главни и носови врати на колесника, страничен люк на полетния екипаж, пъпни врати, елевон залив, предни RCS, RCS тласкачи, вентилационни врати в средата на фюзелажа, врати за отсек с полезен товар, спирачка за кормило/скорост, OMS/RCS шушулки и пролуки между TPS плочки в зони с високо диференциално налягане; и вулканизиращ материал за стайна температура за дебелите алуминиеви пъпни връзки Т-0 отстрани на орбиталния кормилен корпус.

    Изработването на RCC започва с изкуствена тъкан, графитизирана и импрегнирана с фенолна смола. Тази импрегнирана кърпа се полага като ламинат и се втвърдява в автоклав. След втвърдяването ламинатът се пиролизира, за да превърне смолата във въглерод. След това се импрегнира с фурфурол алкохол във вакуумна камера, след това се втвърдява и пиролизира отново, за да се превърне фурфурол алкохол във въглерод. Този процес се повтаря три пъти, докато се постигнат желаните свойства въглерод-въглерод.

Панелите RCC са механично закрепени към крилото с поредица от плаващи съединения, за да се намали натоварването върху панелите, причинено от отклоненията на крилата. Уплътнението между всеки преден ръб на крилото се нарича Т-образно уплътнение. Т-образните уплътнения позволяват странично движение и разлики в топлинното разширение между RCC и орбиталното крило. Освен това те предотвратяват директния поток от горещи газове от граничния слой в кухината на предния ръб на крилото по време на влизането. Т-образните уплътнения са изградени от RCC.

Тъй като въглеродът е добър топлопроводник, съседният алуминий и металните приставки трябва да бъдат защитени от превишаване на температурните граници чрез вътрешна изолация. Фитингите Inconel 718 и A-286 са закрепени с болтове към фланците на RCC компонентите и са прикрепени към алуминиевите крила на крилата и преградата на носа. Покритата с инконел керамична изолация предпазва металните закрепващи фитинги и шпагата от топлината, излъчвана от вътрешната повърхност на панелите на крилата RCC.

Топлоизолацията на носната капачка използва одеяло, направено от керамични влакна и пълнено със силициеви влакна. HRSI или FRCI плочки се използват за защита на предния фюзелаж от топлината, излъчвана от горещата вътрешна повърхност на RCC.

По време на полетни операции са настъпили повреди в областта между носовата капачка на RCC и вратите на носовите колела от удар при изкачване и излишна топлина по време на влизане. HRSI плочките в тази област трябва да бъдат заменени с RCC.

В непосредствената зона, заобикаляща точката на закрепване на предния орбитален/ЕТ, върху предния фюзелаж се поставя одеяло от керамичен плат AB312. RCC се поставя върху одеялото и се закрепва с метални стойки за допълнителна защита от предния орбитален/ET пиротехнически елемент.

    Плочките HRSI са направени от силициев диоксид с висока плътност 99,8% аморфни влакна (влакна, получени от обикновен пясък, с дебелина от 1 до 2 мила) изолация, която е направена твърда чрез керамично свързване. Тъй като 90 процента от плочките са празни, а останалите 10 процента са материали, плочката тежи приблизително 9 паунда на кубичен фут. Суспензия, съдържаща влакна, смесени с вода, се отлива в рамка, за да се образуват меки, порести блокове, към които се добавя колодиален разтвор на силициев диоксид. Когато се спече, се получава твърд блок, който се нарязва на четвъртинки и след това се обработва до точните размери, необходими за отделните плочки.

HRSI плочките се различават по дебелина от 1 инч до 5 инча. Променливата дебелина се определя от топлинното натоварване, срещано по време на влизането. Обикновено плочките HRSI са по-дебели в предните зони на орбита и по-тънки към задния край. С изключение на зоните за отблизо, плочките HRSI са номинално 6 - 6 на 6-инчови квадратчета. Плочките HRSI се различават по размери и форми в зоните за затваряне на орбиталния апарат. HRSI плочките издържат на орбитални условия на студено накисване, многократни отоплителни и охлаждащи термични удари и екстремни акустични среди (165 децибела) при пускане.

Например, плочка HRSI, взета от фурна 2300 F, може да бъде потопена в студена вода без повреди. Повърхностната топлина се разсейва толкова бързо, че непокритата плочка може да се държи за ръбовете си с неглавирана ръка секунди след изваждането от фурната, докато вътрешността й все още свети в червено.

Плочките HRSI са покрити отгоре и отстрани със смес от прахообразен тетрасилицид и боросиликатно стъкло с течен носител. Този материал се напръсква върху плочката до дебелина на покритието от 16 до 18 мили. След това покритите плочки се поставят във фурна и се нагряват до температура 2300 F. Това води до черно, водоустойчиво лъскаво покритие, което има повърхностна емитация 0,85 и слънчева абсорбция около 0,85. След процеса на нагряване на керамичното покритие, останалите силициеви влакна се обработват със силициева смола, за да се осигури насипна хидроизолация.

Имайте предвид, че плочките не могат да издържат на деформация на натоварването на корпуса; следователно е необходима изолация на напрежението между плочките и орбиталната структура. Тази изолация се осигурява от изолационна подложка за деформация. SIPs изолират плочките от структурните отклонения, разширения и акустично възбуждане на орбитатора, като по този начин предотвратяват разрушаване на напрежението в плочките. SIP са термоизолатори, изработени от филцов материал Nomex, доставени с дебелина 0,090, 0,115 или 0,160 инча. SIP се свързват към плочките, а модулът SIP и плочки се свързва към орбиталната структура чрез RTV процес.

Nomex филцът е основно арамидно влакно. Фибрите са с 2 дение на финост, дълги 3 инча и кримпвани. Те се зареждат в машина за кардиране, която разплита струпванията влакна и ги разресва, за да направи слаба маса от ориентирани по дължина, относително успоредни влакна, наречени мрежа. Мрежата с кръстосано покритие се подава в стан, където леко се иглира в бат. Обикновено две такива батове се поставят лице в лице и се поставят заедно с игли, за да образуват филц. След това филцът се подлага на процес на многоиглено преминаване, докато се достигне желаната якост. Игленият филц се каландрира, за да се стабилизира при дебелина от 0,16 инча до 0,40 инча чрез преминаване през нагрети ролки при избрани налягания. Каландрираният материал е настроен на топлина на приблизително 500 F, за да стабилизира термично филца.

RTV силиконовото лепило се нанася върху орбиталната повърхност в слой с дебелина приблизително 0,008 инча. Много тънката свързваща линия намалява теглото и минимизира топлинното разширение при температури от 500 F по време на влизане и температури под минус 170 F в орбита. Плочката/SIP връзка се втвърдява при стайна температура под налягане, приложено от вакуумни торбички.

Тъй като плочките се разширяват или свиват много малко в сравнение с орбиталната структура, е необходимо да се оставят празнини от 25 до 65 милиметра между тях, за да се предотврати контакт между плочки и плочки. В долната част на процепа между плочките се изисква изолация от материал Nomex филц. Той е посочен като пълнител. Материалът, доставен в дебелини, съответстващи на SIPs, се нарязва на ленти с ширина 0,75 инча и се свързва със структурата. Пръчката за пълнене е водоустойчива и устойчива на температура до около 800 F, излагане отгоре.

SIP въвежда концентрации на стрес в снопчетата игли от влакна. Това води до локализиран отказ в плочката точно над линията на RTV връзка. За да се реши този проблем, вътрешната повърхност на плочката се уплътнява, за да разпредели товара по-равномерно. Процесът на уплътняване е разработен от амонячно стабилизирано свързващо вещество Ludox. Когато се смеси с частици от силициев диоксид, той се превръща в цимент. Когато се смеси с вода, тя изсъхва до завършена твърда повърхност. Оцветител силициев тетраборид се смесва със съединението за идентифициране на проникването. Няколко слоя от пигментираната суспензия Ludox са боядисани с четка върху интерфейса за залепване SIP/плочки и оставени да изсъхнат на въздух за 24 часа. Преди инсталацията се извършва термична обработка и друга обработка. Уплътняващото покритие прониква в плочката до дълбочина 0,125 инча, а здравината и твърдостта на плочката и SIP системата се увеличават с коефициент два.

Има две различни плътности на HRSI плочките. Първият тежи 22 паунда на кубичен фут и се използва във всички области около носа и основните колесници, интерфейс за капачка на носа, преден ръб на крилото, RCC/HRSI интерфейс, външни пъпни врати на резервоара/орбита, врати за отдушници и вертикален стабилизатор на предния ръб. Останалите площи използват плочки, които тежат 9 паунда на кубичен фут.

    Плочките FRCI са разработени от изследователския център на НАСА Ames, Mountain View, Калифорния, и са произведени от Lockheed Missiles and Space Division, Сънивейл, Калифорния.

Плочките FRCI-12 HRSI са плочки с по-голяма якост, получени чрез добавяне на AB312 (алуминиево-боросиликатно влакно), наречено Nextel, към чистата суспензия от силициев керемид. Разработен от компанията 3M от Сейнт Пол, Минесота, Nextel активира сливането на бор и, образно казано, заварява влакната с чист силициев диоксид с размер на микрона в твърда структура по време на синтероване във високотемпературна пещ. Полученият композитен огнеупорен материал, съставен от 20% Nextel и 80% силициеви влакна, има напълно различни физични свойства от оригиналните 99,8% чисти силициеви плочки. Nextel, с коефициент на разширение 10 пъти по-голям от 99,8% чист силициев диоксид, действа като предварително сгънат бетон за подсилване на бетона във влакнестата матрица.

Втвърденото с реакция стъкло (черно) покритие на плочките FRCI-12 се компресира, тъй като се втвърдява, за да се намали чувствителността на покритието към напукване по време на работа и операции. В допълнение към подобреното покритие, плочките FRCI-12 са с около 10 процента по-леки от плочките HRSI. FRCI-12 HRSI плочките също демонстрират якост на опън най-малко три пъти по-голяма от тази на HRSI плочките и температура на използване приблизително 100 F по-висока от тази на HRSI плочките.

Процесът на производство на плочки FRCI-12 HRSI по същество е същият като този за 99,8% чист силициев диоксид HRSI плочки, като единствената промяна е в предварителното свързване на мокрия край на суспензията, преди да бъде отлита. Също така се изисква по-висока температура на синтероване. Когато материалът се изсуши, се получава твърд блок. Тези блокове се нарязват на четвъртинки и след това се обработват до точните размери, необходими за всяка плочка. Плочките FRCI-12 са със същия размер 6 на 6 инча като плочките HRSI и варират по дебелина от 1 инч до 5 инча. Те също се различават по размер и форма в зоните за отваряне и са свързани с орбиталния апарат по същество по същия начин като HRSI плочките.

Плочките FRCI-12 се използват за замяна на плочките HRSI от 22 паунда на кубичен фут. Плочките FRCI-12 имат плътност от 12 паунда на кубичен фут и осигуряват подобрена здравина, издръжливост, устойчивост на напукване на покритието и намаляване на теглото.

    Плочките LRSI са със същата конструкция и имат същите основни функции като плочите от 99,8% чист силициев диоксид HRSI, но са по-тънки (0,2 до 1,4 инча) от HRSI плочките. Дебелината се определя от топлинното натоварване, срещано по време на влизането. Плочите от 99,8% чист силициев диоксид LRSI се произвеждат по същия начин като плочите от 99,8% чист силициев диоксид HRSI, с изключение на това, че плочките са с размери 8 на 8 инча и имат нанесено бяло оптично и влагоустойчиво покритие 10 с дебелина до върха и отстрани. В допълнение, бялото покритие осигурява термоконтрол в орбитата за орбита. Покритието е направено от силициеви съединения с лъскав алуминиев оксид за получаване на оптични свойства. Покритите 99,8% чисти силициеви LRSI плочки са обработени с насипни хидроизолации, подобни на HRSI плочките. LRSI плочките се инсталират на орбиталния апарат по същия начин като HRSI плочките. Плочката LRSI има повърхностна емитация 0,8 и слънчева абсорбция 0,32.

Поради доказателства за плазмен поток върху задния ръб на долния крил и елевоновите плочки с преден ръб (крило/елевон залив) на извънбордовия връх на елевона и вътрешния елевон, плочките LRSI се заменят с плочки FRCI-12 и HRSI 22 заедно с пълнители за пролуки върху Discovery (OV-103) и Atlantis (OV-104). В Колумбия (OV-102) в тази зона се инсталират само пълнители за пролуки.

    Одеялата AFRSI заместват по-голямата част от плочките LRSI. AFRSI се състои от влакнест силициев ватин с ниска плътност, който се състои от силициев диоксид с висока чистота и 99,8% аморфни силициеви влакна (с дебелина 1 до 2 мили). Тази вата е поставена между външна тъкан от силициев двуокис с висока температура и вътрешна тъкан от по-ниска температура. След като композитът е зашит със силициев конец, той има вид на юрган. Одеялата AFRSI са покрити с керамичен колодиев силициев диоксид и силициеви влакна с висока чистота (наричани С-9), които осигуряват издръжливост. Композитната плътност на AFRSI е приблизително 8 до 9 паунда на кубичен фут и варира в дебелина от 0,45 до 0,95 инча. Дебелината се определя от топлинното натоварване, което одеялото среща при влизането. Одеялата се изрязват с необходимата форма на формата и се залепват директно към орбиталния апарат чрез RTV силиконово лепило с дебелина 0,20 инча. Много тънката линия на лепилото намалява теглото и минимизира топлинното разширение по време на температурни промени. Зашитото одеяло от капитониран плат е произведено от Rockwell на квадрат от 3 до 3 фута с подходяща дебелина. Директното прилагане на одеялата към орбиталната машина води до намаляване на теглото, подобрена производителност и издръжливост, намалени производствени и монтажни разходи и намалено време за монтаж.
    FRSI е същият материал на Nomex като SIP. FRSI варира по дебелина от 0,160 до 0,40 инча в зависимост от топлинното натоварване, срещано по време на влизането. Състои се от листове с площ от 3 до 4 фута, с изключение на зоните за отваряне, където се изрязва, за да се поберат. FRSI е свързан директно към орбиталния апарат чрез RTV силиконово лепило, нанесено с дебелина 0,20 инча. Бяло пигментирано силиконово еластомерно покритие се използва за хидроизолация на филца и осигуряване на необходимите топлинни и оптични свойства. FRSI има емисия 0,8 и слънчева абсорбция 0,32. FRSI покрива близо 50 процента от горните повърхности на орбита.
    Термичните бариери се използват в зоните за затваряне между различни компоненти на орбиталния апарат и TPS, като преден и заден RCS, спирачка за кормило/скорост, врати на носа и главните колесници, люк за влизане и излизане на екипажа, вентилационни врати, външни пъпни врати на резервоара, интерфейс за вертикален стабилизатор/задна част на фюзелажа, врати на отсека с полезен товар, интерфейс RCC/HRSI с преден ръб на крилото и капачка на носа и интерфейс HRSI. Използваните различни материали са бели AB312 керамични алуминиеви боросиликатни влакна или чернопигментирани AB312 керамични влакнести тъкани, сплетени около вътрешна тръбна пружина, изработена от жица Inconel 750 със силициеви влакна в тръбата, алуминиев килим, кварцова резба и обработваема керамика Macor.

Там, където градиентите на повърхностното налягане биха причинили кръстосан поток на въздуха от граничния слой в междинните междини, се предвиждат пълнители за междинни междини, за да се сведе до минимум нагряването. Материалите за пълнене на междини на плочки се състоят от бели влакна AB312 или покритие от черен пигментиран плат AB312, съдържащо алуминиеви влакна. Тези материали се използват около предния ръб на предния капак на носа на фюзелажа, предните стъкла и страничния люк, крилото, задния ръб на елевоните, вертикалния стабилизатор, руля/скоростната спирачка, капака на тялото и топлинния щит на основните двигатели на совалката.

В плочките се използват вложки и тапи с резба от силициев диоксид, за да се осигури достъп за отстраняване на врати или закрепване на панела.