Hệ thống bảo vệ nhiệt của tàu con thoi (TPS) là hàng rào bảo vệ Tàu vũ trụ Tàu con thoi trong quá trình đốt nóng 1.650 ° C (3.000 ° F) của khí quyển. Mục tiêu thứ yếu là bảo vệ khỏi sự nóng và lạnh của không gian khi ở trên quỹ đạo. [1]
Vật liệu [ chỉnh sửa ]
] TPS bao phủ cơ bản toàn bộ bề mặt quỹ đạo, và bao gồm bảy vật liệu khác nhau ở các vị trí khác nhau dựa trên lượng bảo vệ nhiệt cần thiết:
- Cacbon carbon cốt thép (RCC), được sử dụng ở nắp mũi, khu vực cằm giữa nắp mũi và cửa hạ cánh mũi, phía sau mũi tên của cửa hạ cánh mũi và các cạnh cánh. Được sử dụng khi nhiệt độ reentry vượt quá 1.260 ° C (2.300 ° F).
- Gạch cách nhiệt bề mặt có thể tái sử dụng nhiệt độ cao (HRSI), được sử dụng trên mặt dưới quỹ đạo. Được làm bằng gốm tráng LI-900 Silica. Được sử dụng trong trường hợp nhiệt độ reentry dưới 1.260 ° C.
- Gạch cách nhiệt composite chịu nhiệt sợi (FRCI), được sử dụng để cải thiện cường độ, độ bền, khả năng chống nứt lớp phủ và giảm trọng lượng. Một số gạch HRSI đã được thay thế bằng loại này.
- Chăn cách nhiệt linh hoạt (FIB), một lớp cách nhiệt bề mặt giống như chăn bông. Được sử dụng khi nhiệt độ reentry dưới 649 ° C (1.200 ° F).
- Gạch cách nhiệt bề mặt tái sử dụng nhiệt độ thấp (LRSI), trước đây được sử dụng trên thân máy bay phía trên, nhưng chủ yếu được thay thế bằng FIB. Được sử dụng trong các phạm vi nhiệt độ gần giống với FIB.
- Gạch cách nhiệt sợi đơn (TUFI), một loại gạch cứng hơn, cứng hơn được sử dụng vào năm 1996. Được sử dụng ở các khu vực có nhiệt độ cao và thấp.
- Cách nhiệt bề mặt có thể tái sử dụng (FRSI ). Nomex trắng cảm thấy chăn trên các cửa khoang tải trọng trên, các phần của thân máy bay giữa và thân máy bay phía sau, các phần của bề mặt cánh trên và một phần của vỏ OMS / RCS. Được sử dụng khi nhiệt độ ở dưới 371 ° C (700 ° F).
Mỗi loại TPS có đặc tính bảo vệ nhiệt, chống va đập và đặc tính trọng lượng cụ thể, xác định vị trí sử dụng và lượng sử dụng.
TPS đưa đón có ba đặc điểm chính giúp phân biệt với TPS được sử dụng trên tàu vũ trụ trước đó:
- Tái sử dụng. Các tàu vũ trụ trước đây thường sử dụng các lá chắn nhiệt có khả năng đốt cháy trong quá trình thử lại và do đó không thể sử dụng lại. Cách nhiệt này là mạnh mẽ và đáng tin cậy, và tính chất sử dụng một lần là thích hợp cho một chiếc xe sử dụng một lần. Ngược lại, tàu con thoi có thể tái sử dụng cần một hệ thống bảo vệ nhiệt có thể tái sử dụng.
- Nhẹ. Lá chắn nhiệt ablative trước đây rất nặng. Ví dụ, tấm chắn nhiệt ablative trên Mô-đun chỉ huy Apollo bao gồm khoảng 15% trọng lượng xe. Tàu con thoi có cánh có diện tích bề mặt lớn hơn nhiều so với tàu vũ trụ trước đây, vì vậy một TPS nhẹ là rất quan trọng.
- Mong manh. Công nghệ duy nhất được biết đến vào đầu những năm 1970 với các đặc tính nhiệt và trọng lượng cần thiết cũng rất mong manh, do mật độ rất thấp, người ta có thể dễ dàng nghiền nát một viên gạch TPS bằng tay.
Tại sao cần TPS [ chỉnh sửa ]
Cấu trúc nhôm của quỹ đạo không thể chịu được nhiệt độ trên 175 ° C (347 ° F ) mà không bị hỏng cấu trúc. [2] Gia nhiệt khí động học trong quá trình thử lại sẽ đẩy nhiệt độ lên cao hơn mức này trong các khu vực, do đó cần một chất cách điện hiệu quả.
Reentry sưởi ấm [ chỉnh sửa ]
Reentry sưởi ấm khác với sưởi ấm khí quyển thông thường liên quan đến máy bay phản lực, và điều này thiết kế và đặc điểm của TPS. Da của máy bay phản lực tốc độ cao cũng có thể trở nên nóng, nhưng đây là do sự nóng lên do ma sát do ma sát trong khí quyển, tương tự như làm ấm bàn tay của một người bằng cách cọ xát chúng lại với nhau. Quỹ đạo quay trở lại bầu khí quyển như một cơ thể cùn bằng cách có một góc tấn công rất cao (40 độ), với bề mặt thấp hơn rộng đối diện với hướng bay. Hơn 80% quá trình đốt nóng các trải nghiệm quỹ đạo trong quá trình thử lại là do nén không khí trước phương tiện siêu âm, phù hợp với mối quan hệ nhiệt động cơ bản giữa áp suất và nhiệt độ. Một sóng xung kích nóng được tạo ra ở phía trước của chiếc xe, làm lệch phần lớn nhiệt và ngăn không cho bề mặt của quỹ đạo tiếp xúc trực tiếp với nhiệt độ cao nhất. Do đó, sưởi ấm reentry phần lớn là truyền nhiệt đối lưu giữa sóng xung kích và da của quỹ đạo thông qua plasma quá nhiệt. [1] Chìa khóa của một lá chắn có thể tái sử dụng chống lại loại sưởi ấm này là vật liệu có mật độ rất thấp, tương tự như cách mà một bình giữ nhiệt ức chế nhiệt đối lưu chuyển nhượng. [ cần dẫn nguồn ]
Một số hợp kim kim loại ở nhiệt độ cao có thể chịu được nhiệt tái; họ chỉ đơn giản là nóng và tỏa lại nhiệt hấp thụ. Kỹ thuật này, được gọi là bảo vệ nhiệt "tản nhiệt", đã được lên kế hoạch cho phương tiện không gian có cánh X-20 Dyna-Soar. [1] Tuy nhiên, lượng kim loại nhiệt độ cao cần thiết để bảo vệ một phương tiện lớn như Tàu con thoi vũ trụ sẽ có rất nặng và bị phạt nặng đối với hiệu suất của xe. Tương tự, TPS ablative sẽ nặng, có thể làm xáo trộn khí động học của xe khi nó bị đốt cháy trong khi thử lại, và yêu cầu bảo trì đáng kể để áp dụng lại sau mỗi nhiệm vụ. (Thật không may, gạch TPS, ban đầu được chỉ định không bao giờ bị tấn công mảnh vỡ trong quá trình phóng, trong thực tế cũng cần phải được kiểm tra và sửa chữa chặt chẽ sau mỗi lần hạ cánh, do thiệt hại luôn phát sinh trong quá trình đi lên, ngay cả trước khi các chính sách kiểm tra quỹ đạo mới được thiết lập sau sự mất mát của tàu con thoi Columbia .)
Mô tả chi tiết [ chỉnh sửa ]
TPS là một hệ thống các loại bảo vệ khác nhau, không chỉ là gạch silica. Chúng có hai loại cơ bản: TPS ngói và TPS không ngói. [1] Tiêu chí lựa chọn chính sử dụng bảo vệ trọng lượng nhẹ nhất có khả năng xử lý nhiệt trong một khu vực nhất định. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, loại nặng hơn đã được sử dụng nếu cần thêm khả năng chống va đập. Các chăn FIB chủ yếu được thông qua để giảm bảo trì, không phải vì lý do nhiệt hoặc trọng lượng.
Phần lớn tàu con thoi được phủ bằng gạch silica LI-900, được làm từ cát thạch anh rất tinh khiết. [1] Lớp cách nhiệt ngăn cản sự truyền nhiệt đến lớp vỏ và cấu trúc nhôm bên dưới. Những viên gạch này là những vật liệu dẫn nhiệt kém đến mức người ta có thể giữ từng cạnh trong khi nó vẫn còn nóng đỏ. [3] Có khoảng 24.300 viên gạch độc nhất được trang bị riêng trên xe, mà quỹ đạo được gọi là "xưởng gạch bay". Các nhà nghiên cứu tại Đại học Minnesota và Đại học bang Pennsylvania đang thực hiện các mô phỏng nguyên tử để có được mô tả chính xác về sự tương tác giữa oxy nguyên tử và phân tử với bề mặt silica để phát triển các hệ thống bảo vệ oxy hóa nhiệt độ cao tốt hơn cho các cạnh dẫn trên phương tiện siêu âm. [4]
Gạch không được gắn chặt vào xe, nhưng được dán. Vì các viên gạch dễ vỡ không thể uốn cong với lớp vỏ xe bên dưới, chúng được dán vào Nomex cảm thấy Strain Isolation Pad (SIPs) bằng keo silicon RTV, lần lượt được dán vào da quỹ đạo. Những viên gạch này bị cô lập khỏi sự lệch và mở rộng cấu trúc của quỹ đạo. [1]
Các loại gạch [ chỉnh sửa ]
Cách nhiệt bề mặt có thể tái sử dụng ở nhiệt độ cao (HRSI) ]
Gạch HRSI (màu đen) bảo vệ chống lại nhiệt độ lên tới 1.260 ° C (2.300 ° F). Có 20.548 gạch HRSI bao phủ các cửa thiết bị hạ cánh, cửa kết nối rốn của bể ngoài và phần còn lại của quỹ đạo dưới bề mặt. Chúng cũng được sử dụng trong các khu vực trên thân máy bay phía trên, các bộ phận của hệ thống điều khiển quỹ đạo, cạnh dẫn ổn định dọc, cạnh đuôi thang máy và bề mặt vạt trên cơ thể. Chúng có độ dày khác nhau từ 1 đến 5 inch (2,5 đến 12,7 cm), tùy thuộc vào tải nhiệt gặp phải trong quá trình thử lại. Ngoại trừ các khu vực gần, những viên gạch này thường có kích thước 6 x 6 inch (15 x 15 cm). Gạch HRSI bao gồm các sợi silica có độ tinh khiết cao. Chín mươi phần trăm thể tích của gạch là không gian trống, tạo ra mật độ rất thấp (9 lb / cu ft hoặc 140 kg / m 3 ) làm cho nó đủ nhẹ cho ánh sáng không gian. [1] Gạch không tráng phủ có màu trắng sáng và trông giống như một loại gốm cứng hơn là vật liệu giống như bọt.
Lớp phủ màu đen trên gạch là Reaction Cured Glass (RCG) trong đó thủy tinh tetrasilinf và borosilicate là một số thành phần. RCG đã được áp dụng cho tất cả trừ một mặt của gạch để bảo vệ silica xốp và để tăng các đặc tính tản nhiệt. Lớp phủ không có ở một lề nhỏ của các mặt liền kề với mặt không tráng (phía dưới). Để chống thấm cho gạch, dimethylethoxysilane được bơm vào gạch bằng ống tiêm. Mật độ gạch với tetraethyl orthosilicate (TEOS) cũng giúp bảo vệ silica và thêm chống thấm.
Một viên gạch HRSI không tráng được cầm trong tay có cảm giác như một bọt rất nhẹ, ít đặc hơn so với xốp, và vật liệu dễ vỡ, phải được xử lý cực kỳ quan tâm để ngăn ngừa thiệt hại. Lớp phủ tạo cảm giác giống như một lớp vỏ mỏng, cứng và đóng gói gốm cách điện màu trắng để giải quyết tính dễ vỡ của nó, ngoại trừ ở mặt không tráng phủ. Ngay cả một lớp tráng phủ cũng cảm thấy rất nhẹ, nhẹ hơn một khối xốp cùng kích cỡ. Đúng như mong đợi đối với silica, chúng không mùi và trơ. [ cần dẫn nguồn ]
HRSI được thiết kế chủ yếu để chịu được sự chuyển đổi từ các khu vực có nhiệt độ cực thấp (khoảng trống của không gian, khoảng 70270 ° C hoặc −454 ° F) đến nhiệt độ cao của sự xâm nhập lại (gây ra bởi sự tương tác, chủ yếu là nén ở sốc siêu âm, giữa các khí của bầu khí quyển trên và thân tàu con thoi, thường là khoảng 1.600 ° C hoặc 2.910 ° F). [1]
Gạch cách nhiệt composite chịu nhiệt sợi (FRCI) [ chỉnh sửa ]
Gạch FRCI màu đen giúp cải thiện độ bền, khả năng chống nứt và giảm trọng lượng. Một số gạch HRSI đã được thay thế bằng loại này. [1]
Vật liệu cách ly sợi đơn cứng (TUFI) [ chỉnh sửa ]
Một loại gạch mạnh hơn, cứng hơn được sử dụng vào năm 1996. Gạch TUFI được sử dụng vào năm 1996. phiên bản màu đen nhiệt độ cao để sử dụng ở mặt dưới của quỹ đạo và phiên bản màu trắng nhiệt độ thấp hơn để sử dụng ở phần thân trên. Mặc dù có khả năng chịu va đập tốt hơn các loại gạch khác, các phiên bản màu trắng đã truyền nhiệt nhiều hơn, giới hạn việc sử dụng chúng ở phần trên thân và quỹ đạo động cơ chính của quỹ đạo. Các phiên bản màu đen có đủ cách nhiệt cho quỹ đạo bên dưới nhưng có trọng lượng lớn hơn. Các yếu tố này đã hạn chế việc sử dụng chúng ở các khu vực cụ thể. Chúng cũng được sử dụng trong các khu vực được lựa chọn của thân máy bay phía trước, giữa và phía sau, đuôi thẳng đứng và vỏ OMS / RCS. Những khu vực được bảo vệ bằng gạch có nhiệt độ reentry dưới 1.200 ° F (649 ° C). Gạch LRSI được sản xuất theo cách tương tự như gạch HRSI, ngoại trừ gạch có kích thước 8 x 8 inch (20 x 20 cm) và có lớp phủ RCG màu trắng làm từ các hợp chất silica với oxit nhôm sáng bóng. [1] Màu trắng màu sắc là do thiết kế và giúp quản lý nhiệt trên quỹ đạo khi quỹ đạo tiếp xúc với ánh sáng mặt trời trực tiếp.
Những viên gạch này có thể tái sử dụng cho tối đa 100 nhiệm vụ với việc tân trang (100 nhiệm vụ cũng là thời gian thiết kế của mỗi quỹ đạo). Họ đã được kiểm tra cẩn thận trong Cơ sở chế biến tàu quỹ đạo sau mỗi nhiệm vụ và gạch bị hỏng hoặc mòn ngay lập tức được thay thế trước nhiệm vụ tiếp theo. Các tấm vải được gọi là chất độn khoảng cách cũng được chèn giữa các gạch khi cần thiết. Những thứ này cho phép vừa khít giữa các viên gạch, ngăn không cho plasma dư thừa xâm nhập giữa chúng, nhưng vẫn cho phép giãn nở nhiệt và uốn cong lớp vỏ xe bên dưới.
Trước khi giới thiệu chăn FIB, gạch LRSI đã chiếm tất cả các khu vực hiện được phủ bởi chăn, bao gồm cả thân máy bay phía trên và toàn bộ bề mặt của vỏ OMS. Cấu hình TPS này chỉ được sử dụng trên Columbia và Challenger .