ŰR-SHUTTLE RENDSZERRENDSZEREK

A hővédő rendszer különféle anyagokból áll, amelyeket külsőleg alkalmaznak a keringő külső szerkezeti bőrén, hogy a bőrt elfogadható hőmérsékleten tartsák, elsősorban a küldetés belépési szakaszában. A keringő külső szerkezeti bőre elsősorban alumíniumból és grafit epoxiból készül.

A belépés során a TPS anyagok megvédik a keringő külső bőrét a 350 F feletti hőmérséklettől. Ezenkívül felújítással és karbantartással 100 küldetéshez újrafelhasználhatók. Ezek az anyagok a mínusz 250 F hőmérsékleti tartományokban teljesítenek az űr hideg áztatásában a belépési hőmérsékletekig, amelyek elérik a közel 3000 F értéket. A TPS fenntartja azokat az erőket is, amelyeket a keringő repülőgép vázának elhajlása okoz, miközben reagál a különféle külső környezetekre. Mivel a hővédő rendszer a keringőbőr külsejére van telepítve, ez a hűtőbordán kívül megalapozza a jármű feletti aerodinamikát.

Az Orbiter belső hőmérsékletét belső szigetelés, fűtőberendezések és tisztítási technikák is szabályozzák a küldetés különböző szakaszaiban.

A TPS egy passzív rendszer, amely olyan anyagokat tartalmaz, amelyek stabilitása magas hőmérsékleten és súlyhatékonyság mellett van kiválasztva. Ezek az anyagok a következők:

1. A szárny elülső szélein megerősített szén-szenet használnak; az orr sapkája, beleértve az orr sapka közvetlen hátsó részét az alsó felületen (állcső panel); és az elülső keringő/külső tartály szerkezeti rögzítése körüli közvetlen környék. Az RCC védi azokat a területeket, ahol a hőmérséklet belépéskor meghaladja a 2300 F-ot.

2. A magas hőmérsékletű, újrafelhasználható felületi szigetelő burkolólapokat a felső első törzs területén használják, beleértve az első törzsablakokat is; a jármű teljes alsó része, ahol nem használnak RCC-t; az orbitális manőverező rendszer és a reakcióvezérlő rendszer hüvelyeinek részei; a függőleges stabilizátor első és hátsó élei; szárnyas kesztyű területek; elon hátsó élei; az RCC-vel szomszédos a szárny felső felületén; az alap hőpajzs; az interfész a szárny elülső élével RCC; és a felsőtest fedelének felülete. A HRSI burkolólapok olyan területeket védenek, ahol a hőmérséklet 2300 F.

3. A rostos tűzálló kompozit szigetelésnek nevezett fekete csempéket később fejlesztették ki a hővédelmi rendszer programjában. Az FRCI burkolólapok a HRSI burkolólapok egy részét helyettesítik a keringő kijelölt területein.

4. Alacsony hőmérsékletű, újrafelhasználható felületszigetelő fehér csempéket használnak az elülső, a középső és a hátsó törzs kiválasztott területein; függőleges farok; felső szárny; és OMS/RCS hüvelyek. Ezek a burkolólapok olyan helyeket védenek, ahol a hőmérséklet alacsonyabb, mint 1.200 F. Ezek a burkolólapok fehér felületű bevonattal rendelkeznek, hogy jobb hőhatásokat biztosítsanak a pályán.

5. A Rockia International Palmdale-i összeszerelő létesítményéből történő Columbia kezdeti leszállítása után fejlett rugalmas újrafelhasználható felületszigetelést fejlesztettek ki. Ez az anyag varrott kompozit steppelt szövetszigetelésből áll, amely két fehér szövetréteg között van, és amelyeket varrva takaró takaróvá varrnak össze. Az AFRSI-t a Discovery és az Atlantis alkalmazásával helyettesítették az LRSI lapok túlnyomó többségét. A hetedik repülést követően Columbia is módosult, hogy az LRSI burkolólapok nagy részét AFRSI-re cserélje. Az AFRSI takarók jobb gyárthatóságot és tartósságot, csökkentett gyártási és telepítési időt és költségeket, valamint súlycsökkenést biztosítanak az LRSI csempékénél. Az AFRSI takarók olyan területeket védenek, ahol a hőmérséklet 1200 F alatt van.

6. A bevont Nomex filc újrafelhasználható felületszigetelésből készült fehér takarókat használnak a teherfülke felső ajtajain, a középtörzs részein és a törzs hátsó részén, a felső szárny felületének részein és az OMS/RCS hüvelyek egy részén. Az FRSI takarók olyan területeket védenek, ahol a hőmérséklet 700 F alatt van.

7. Egyéb speciális területeken további anyagokat használnak. Ezek az anyagok hőablakok az ablakokhoz; fém az elülső reakcióvezérlő rendszer burkolataihoz és a felső szárny és az elevon közötti interfészen lévő elon tömítő panelek; fehér- és fekete-pigmentált szilíciumszövet kombinációja a hőszigetelők és a hézagkitöltők számára a működtethető behatolások körül, mint például a fő- és orr-futóműajtók, a kijárat és a behatoló hajózószemélyzet oldalsó nyílása, köldökajtók, elevon-öböl, előre RCS, RCS-tolókerekek középtörzs szellőzőnyílások, hasznos teherbírású ajtók, kormány-/sebességfék, OMS/RCS hüvelyek és a TPS-cserepek közötti rések nagy nyomáskülönbségű területeken; és szobahőmérsékletű vulkanizáló anyag a vastag alumínium T-0 köldökhöz a keringő hátsó törzs oldalán.

Az RCC gyártása egy műselyem kendővel kezdődik, amelyet grafitizálunk és fenolgyantával impregnálunk. Ezt az impregnált ruhát laminátumként helyezzük el, és autoklávban kikeményítjük. Megkötése után a laminátumot pirolizálják, hogy a gyanta szénné alakuljon. Ezt követően furfurol-alkohollal impregnálják egy vákuumkamrában, majd meggyógyítják és újra pirolizálják, hogy a furfurol-alkohol szénné alakuljon. Ezt a folyamatot háromszor ismételjük, amíg a kívánt szén-szén tulajdonságokat el nem érjük.

Az RCC paneleket mechanikusan a szárnyhoz rögzítik egy sor úszó csatlakozással, hogy csökkentse a panelek szárnyhajlítások okozta terhelését. Az egyes szárnyak elülső paneljei közötti tömítést T-tömítésnek nevezik. A T-tömítések lehetővé teszik az RCC és a keringő szárny közötti oldalirányú mozgást és hőtágulási különbségeket. Ezenkívül megakadályozzák a forró határréteg gázok közvetlen áramlását a szárny vezető élének üregébe belépéskor. A T-tömítések RCC-ből készülnek.

Mivel a szén jó hővezető, a szomszédos alumíniumot és a fém csatlakozókat belső szigeteléssel kell megvédeni a hőmérsékleti határok túllépésétől. Az Inconel 718 és A-286 szerelvények az RCC alkatrészei peremeihez vannak csavarozva, és az alumínium szárnyrudakhoz és az orr válaszfalához vannak rögzítve. Az Inconel bevonatú kerakróm szigetelés megvédi a fém csatlakozó szerelvényeket és a spárt az RCC szárny panelek belső felületéből sugárzó hőtől.

Az orrfedél hőszigetelése kerámia szálakból készült és szilícium-dioxid szálakkal töltött takarót használ. HRSI vagy FRCI burkolólapok szolgálják az elülső törzs védelmét az RCC forró belső felülete által sugárzott hőtől.

A repülési műveletek során az RCC orrfedél és az orr futómű ajtaja közötti területen sérülés következett be az emelkedés közbeni ütközés és a belépés során felesleges hő miatt. Az ezen a területen található HRSI burkolólapokat RCC-re kell cserélni.

Az elülső keringő/ET rögzítési pont körüli közvetlen környezetben egy AB312 kerámia szövet takarót helyeznek az elülső törzsre. Az RCC-t a takaró fölé helyezzük, és fém elzárókkal rögzítjük, hogy további védelmet nyújtsunk az elülső pálya/ET csatlakozási pont pirotechnika ellen.

A HRSI burkolólapok kis sűrűségű, nagy tisztaságú, 99,8 százalékos amorf szálból (közönséges homokból származó szálak, 1–2 millió vastagságú szálak) készülnek, amelyet kerámiakötéssel merevítenek. Mivel a burkolólap 90 százaléka semmis, a fennmaradó 10 százalék pedig anyag, a burkolólap súlya köbméterenként körülbelül 9 font. A vízzel kevert szálakat tartalmazó zagyot keretbe öntik, így puha, porózus tömböket képeznek, amelyekhez kollodiális szilícium-dioxid-kötő oldatot adnak. Szintereléskor merev tömb keletkezik, amelyet negyedekre vágnak, majd megmunkálják az egyes burkolólapokhoz szükséges pontos méretekkel.

A HRSI burkolólapok vastagsága 1 hüvelyk és 5 hüvelyk között változik. A változó vastagságot a belépés során tapasztalt hőterhelés határozza meg. Általában a HRSI burkolólapok a pálya elülső területein vastagabbak és a hátsó vég felé vékonyabbak. A közeli területek kivételével a HRSI burkolólapok névlegesen 6-6 hüvelykes négyzetek. A HRSI burkolólapok méretükben és formájukban különböznek a keringő közeli területein. A HRSI burkolólapok az induláskor ellenállnak a pályán lévő hideg áztatási körülményeknek, az ismételt fűtési és hűtési hősokknak és az extrém akusztikus környezeteknek (165 decibel).

Például egy 2300 F sütőből vett HRSI csempe károsodás nélkül hideg vízbe merülhet. A felületi hő olyan gyorsan oszlik el, hogy a bevonat nélküli csempe egy kesztyű nélküli kézzel tartható az élénél másodpercekkel a sütőből való eltávolítás után, miközben a belseje még mindig vörösen izzik.

A HRSI burkolólapokat felülről és oldalról porított tetrasilicid és boroszilikát üveg keverékével, folyékony hordozóval vonják be. Ezt az anyagot 16-18 milliméter vastagságig permetezik a csempére. Ezután a bevont burkolólapokat kemencébe helyezzük és 2300 F hőmérsékletre melegítjük. Ennek eredményeként fekete, vízálló fényes bevonatot kapunk, amelynek felületi emissziója 0,85, a napelnyelés pedig körülbelül 0,85. A kerámia bevonat melegítési eljárása után a fennmaradó szilícium-dioxid-szálakat szilícium-gyantával kezeljük, hogy ömlesztett vízszigetelést kapjunk.

Ne feledje, hogy a burkolólapok nem képesek ellenállni a repülőgép vázának deformációjának; ezért a burkolólapok és a keringőszerkezet között feszültségszigetelésre van szükség. Ezt az izolálást egy törzsszigetelő pad biztosítja. A SIP-k elkülönítik a burkolólapokat a keringő szerkezeti alakváltozásaitól, tágulásaitól és akusztikai gerjesztésétől, ezáltal megakadályozva a burkolatok feszültségkiesését. A SIP-k Nomex filc anyagból készült hőszigetelők, amelyek vastagsága 0,090, 0,115 vagy 0,160 hüvelyk. A SIP-k a csempékhez vannak kötve, a SIP-ek és a csempe-egységek pedig egy RTV-eljárással a keringő szerkezethez.

A Nomex filc alapvető aramidszál. A szálak 2 finomságú tagadók, 3 hüvelyk hosszúak és préseltek. Olyan kártológépbe töltik be, amely széthúzza a szálcsomókat és fésülgeti őket, így hosszanti irányú, viszonylag párhuzamos szálakból álló tömeget alkotnak, amelyet szövedéknek neveznek. A keresztfedésű szövedéket szövőszékbe vezetik, ahol könnyedén tűvé varrják egy ütőbe. Általában két ilyen ütőt négyszemközt helyeznek el, és tűvel összefogva éreznek. A filcet ezután többszárú átengedésnek vetik alá, amíg el nem éri a kívánt szilárdságot. A tűs filcet úgy kalanderezzük, hogy 0,16 hüvelyk és 0,40 hüvelyk közötti vastagságban stabilizálódjon azáltal, hogy a kiválasztott nyomáson átmelegített hengereken halad át. A kalanderezett anyagot kb. 500 F-ra állítják be a filc hőstabilizálása céljából.

Az RTV szilíciumragasztót kb. 0,008 hüvelyk vastag rétegben viszik fel a keringő felületére. A nagyon vékony kötésvonal csökkenti a súlyt és minimalizálja a hőtágulást 500 F hőmérsékleten belépéskor és mínusz 170 F alatti hőmérsékleten a pályán. A csempe/SIP kötést szobahőmérsékleten vákuumzsákok által kifejtett nyomáson kikeményítik.

Mivel a burkolólapok termikusan nagyon kis mértékben kitágulnak vagy összehúzódnak a keringőszerkezethez képest, 25–65 milliméteres hézagokat kell hagyni közöttük, hogy megakadályozzák a cserép és a cserép érintkezését. A Nomex nemezanyag szigetelésére a lapok közötti rés alján van szükség. Töltősávként emlegetik. A SIP-eknek megfelelő vastagságban szállított anyagot 0,75 hüvelyk széles csíkokra vágják, és a szerkezethez kötik. A töltőrúd vízálló és hőmérséklet-ellenálló, körülbelül 800 F-ig, a felső oldali expozícióig.

A SIP bevezeti a stresszkoncentrációkat a tűs rostkötegekben. Ez lokalizált hibát eredményez a csempében, közvetlenül az RTV kötés vonal felett. Ennek a problémának a megoldása érdekében a csempe belső felülete sűrűsödik a terhelés egyenletesebb elosztása érdekében. A sűrítési folyamatot Ludox ammóniával stabilizált kötőanyagból fejlesztették ki. Szilícium-dioxid-csúszás részecskékkel keverve cement lesz. Vízzel összekeverve kész kemény felületre szárad. Szilícium-tetraborid színezéket keverünk a vegyülettel a behatolás azonosítása céljából. A pigmentált Ludox szuszpenzió több rétegét ecsettel festik a SIP/csempe kötés felületére, és hagyják 24 órán át levegőn száradni. Hőkezelés és egyéb feldolgozás történik a telepítés előtt. A sűrűségű bevonat 0,125 hüvelyk mélységig hatol át a csempén, és a cserép és a SIP rendszer szilárdsága és merevsége kétszerese megnő.

A HRSI burkolólapoknak két különböző sűrűsége van. Az első súlya köbméterenként 22 font, és az orr és a fő futóművek körüli területeken, az orr sapka interfészén, a szárny elülső élén, az RCC/HRSI interfészen, a külső tartály/keringő köldökajtókon, a szellőzőajtókon és a függőleges stabilizátor vezető élénél használatos. A fennmaradó területeken köbméterenként 9 font súlyú csempéket használnak.

Az FRCI burkolólapokat a NASA Ames Kutatóközpontja, Mountain View, Kalifornia fejlesztette ki, és a Lockheed Missiles and Space Division gyártotta, Sunnyvale, Kalifornia.

Az FRCI-12 HRSI burkolólapok nagyobb szilárdságú burkolólapok, amelyeket úgy kapunk, hogy az AB312-t (alumínium-oxid-boroszilikát rost), a Nextel nevet adjuk a tiszta szilícium-dioxid-cserép zagyhoz. A Minn.-i St. Paul 3M Company által kifejlesztett Nextel aktiválja a bórfúziót, és átvitt értelemben a tiszta szilícium-dioxid mikronméretű szálait merev szerkezetté varrja magas hőmérsékletű kemencében történő szinterelés során. A kapott összetett rost tűzálló anyag, amely 20 százalék Nextel és 80 százalék szilícium-dioxid-szálból áll, teljesen más fizikai tulajdonságokkal rendelkezik, mint az eredeti, 99,8 százalékos tisztaságú szilícium-dioxid-csempe. A Nextel, amelynek tágulási együtthatója a 99,8 százalékos tisztaságú szilícium-dioxid 10-szerese, úgy működik, mint egy előre megkötött beton megerősítő rúd a szálmátrixban.

Az FRCI-12 burkolólapok által kikeményített üveg (fekete) bevonatot összenyomják, miközben kikeményedik, hogy csökkentse a bevonat repedésérzékenységét a kezelés és a műveletek során. A továbbfejlesztett bevonat mellett az FRCI-12 burkolólapok körülbelül 10 százalékkal könnyebbek, mint a HRSI burkolólapok. Az FRCI-12 HRSI burkolólapok szakítószilárdsága szintén legalább háromszor nagyobb, mint a HRSI burkolólapoké, és a használati hőmérséklete körülbelül 100 F-kal magasabb, mint a HRSI burkolólapoké.

Az FRCI-12 HRSI csempe gyártási folyamata lényegében megegyezik a 99,8 százalékos tisztaságú szilícium-dioxid HRSI csempékével, az egyetlen változás a hígtrágya nedves végi előkötésében van, mielőtt öntik. Magasabb szinterelési hőmérsékletet is igényel. Az anyag megszárításakor merev tömb képződik. Ezeket a tömböket negyedekre vágják, majd megmunkálják az egyes csempékhez szükséges pontos méretekkel. Az FRCI-12 burkolólapok 6-6 hüvelyk méretűek, mint a HRSI burkolólapok, és vastagsága 1 hüvelyktől 5 hüvelykig terjed. Méretükben és alakjukban is különböznek a zárási területeken, és lényegében ugyanúgy kapcsolódnak a keringőhöz, mint a HRSI lapok.

Az FRCI-12 burkolólapok a HRSI 22 font/köbméter lábak cseréjére szolgálnak. Az FRCI-12 burkolólapok sűrűsége 12 font köbméterenként, javított szilárdságot, tartósságot, a bevonat repedésállóságát és a súlycsökkentést.

Az LRSI burkolólapok ugyanolyan felépítésűek és ugyanazokkal az alapvető funkciókkal bírnak, mint a 99,8 százalékos tisztaságú szilícium-dioxid HRSI burkolólapok, de vékonyabbak (0,2–1,4 hüvelyk), mint a HRSI burkolólapok. A vastagságot a belépéskor tapasztalt hőterhelés határozza meg. A 99,8 százalékos tisztaságú szilícium-dioxid LRSI burkolólapok ugyanúgy készülnek, mint a 99,8 százalékos tisztaságú szilícium-dioxid HRSI burkolólapok, azzal a különbséggel, hogy a burkolólapok 8x8 hüvelykes négyzetek, és fehér optikai és nedvességálló bevonattal rendelkeznek 10 teteje és oldala vastag. Ezenkívül a fehér bevonat biztosítja az orbitális pályán történő hővezérlést. A bevonat szilícium-dioxid-vegyületekből áll, fényes alumínium-oxiddal az optikai tulajdonságok elérése érdekében. A bevont 99,8 százalékos tisztaságú szilícium-dioxid LRSI burkolólapokat a HRSI burkolólaphoz hasonló tömeges vízszigeteléssel kezelik. Az LRSI burkolólapokat ugyanúgy telepítik a pályára, mint a HRSI burkolólapokat. Az LRSI csempe felületi emissziója 0,8, a napabszorpciója pedig 0,32.

Az alsó szárny hátsó peremén és a magas elülső élcsempéken (szárny/elevon öböl) a külső elon csúcsán és a fedélzeti magasságban lévő plazma áramlásának bizonyítéka miatt az LRSI csempéket FRCI-12 és HRSI 22 csempékkel helyettesítik, a réskitöltőkkel együtt Discovery (OV-103) és Atlantis (OV-104). Kolumbia (OV-102) területén csak hézagkitöltőket telepítenek ezen a területen.

Az LRSI burkolólapok túlnyomó részét AFRSI takarók pótolják. Az AFRSI egy kis sűrűségű rostos szilícium-dioxid-vattából áll, amely nagy tisztaságú szilícium-dioxidból és 99,8 százalékos amorf szilícium-dioxid-szálakból áll (1-2 mill vastagságú). Ez az ütés egy külső szövött szilícium-dioxid magas hőmérsékletű szövet és egy belső szövött üveg alacsonyabb hőmérsékletű szövet közé helyezkedik el. Miután a kompozitot szilícium-dioxid-fonallal varrják, paplanszerű megjelenésű. Az AFRSI takarókat kerámia kollodiális szilícium-dioxid és nagy tisztaságú szilícium-dioxid szálak (a továbbiakban C-9 nevezik), amelyek kitartást nyújtanak. Az AFRSI kompozit sűrűsége körülbelül 8–9 font köbméterenként, vastagsága 0,45–0,95 hüvelyk. A vastagságot a takaró hőterhelése határozza meg a belépés során. A takarókat a kívánt síkformára vágják, és 0,20 hüvelyk vastagságú RTV szilíciumragasztóval rögzítik közvetlenül a keringőhöz. A nagyon vékony ragasztósor csökkenti a súlyt és minimalizálja a hőtágulást a hőmérsékletváltozások során. A varrott steppelt szövet takarót a Rockwell gyártja megfelelő vastagságú 3–3 méteres négyzetben. A takarók közvetlen alkalmazása a keringőre súlycsökkenést, jobb termelékenységet és tartósságot, alacsonyabb gyártási és telepítési költségeket, valamint csökkentett telepítési ütemezési időt eredményez.

Az FRSI ugyanaz a Nomex anyag, mint a SIP. Az FRSI vastagsága 0,160 és 0,40 hüvelyk között változik, a belépéskor tapasztalt hőterheléstől függően. 3–4 láb négyzet alakú lapokból áll, kivéve a közeli területeket, ahol vágják, hogy illeszkedjenek. Az FRSI-t 0,20 hüvelyk vastagságú RTV szilícium ragasztóval kötik közvetlenül a keringőhöz. Fehér színű szilícium-elasztomer bevonatot használnak a nemez vízszigetelésére és a szükséges hő- és optikai tulajdonságok biztosítására. Az FRSI kibocsátása 0,8, a napelnyelés pedig 0,32. Az FRSI a keringő felső felületeinek közel 50% -át lefedi.

Hőgátakat alkalmaznak a keringő és a TPS különböző alkatrészei közötti záró területeken, mint például az első és a hátsó RCS, a kormány-/sebességfék, az orr- és fő futóműajtók, a személyzet be- és kilépési nyílása, szellőzőajtók, a tartály külső köldökajtói, függőleges stabilizátor/hátsó törzs interfész, hasznos teherbírású ajtók, a szárny elülső élének RCC/HRSI interfésze, valamint az orrvédő és a HRSI interfész A felhasznált különféle anyagok: fehér AB312 kerámia alumínium-oxid boroszilikaszálak vagy fekete pigmentált AB312 kerámiaszálas szövetek, amelyek Inconel 750 huzalból készült belső csőrugó köré fonva, szilícium-dioxid szálak a csőben, alumínium-oxid szőnyeg, kvarcszál és Macor megmunkálható kerámia.

Ahol a felületi nyomásgradiensek a határréteg levegőjének keresztáramlását okoznák az intertilus réseken belül, cseréprés-töltőanyagokat biztosítanak a melegedés minimalizálása érdekében. A cseréprés-kitöltő anyagok fehér AB312 szálakból vagy fekete pigmentált AB312 szövetborításból állnak, amely alumínium-oxid szálakat tartalmaz. Ezeket az anyagokat az első törzs orrfedélének, a szélvédőknek és az oldalsó nyílásnak, a szárnynak, a magasság hátsó szélének, a függőleges stabilizátornak, a kormány-/sebességféknek, a fedéllel és az áruszállító fő motorjainak hővédő pajzsának élén használják.

A csempékben olvasztott szilícium-dioxid menetes betéteket és dugókat használnak, hogy hozzáférést biztosítsanak az ajtó eltávolításához vagy a panel rögzítéséhez.