سيستم مدارپيماي شاتل فضايي

سيستم حفاظتي ـ حرارتي[9] ( TPS )

سيستم حفاظتی- حرارتی شاتل فضايي سيستمی است غيرفعال شامل موادی که برای پايداری در مقابل دماهای بالا انتخاب شده اند و عبارتند از:

1- RCC [10] يا كربن تقويت شده با كربن كه در لبه حمله بال، كلاهك دماغه ـ شامل قسمتهاي انتهايي كلاهك دماغه تا سطح زيرين[11] ـ استفاده مي شود و در اطراف محل اتصال سازه ی مخزن خارجي سوخت كاربرد دارد. RCC ، مناطقي را كه حين ورود به جو دمايي بالغ بر 2300 درجه فارنهايت دارند، محافظت مي كند.

2- HRSI [12] يا كاشيهاي عايق سياه رنگ دما بالای چند بار مصرف که در مناطق فوقاني جلوی بدنه مدارپيما، پنجره هاي جلويي ، تمامي بخش تحتاني شاتل ـ جايي كه RCC استفاده نمي شود ـ ، بخشهايي از سيستم مانور مدارپيما، پايه های سيستم كنترل واكنشي، لبه حمله و لبه فرار پايدار کننده ی عمودی، پوشش بالها، لبه هاي پشتي elevon، لبه ی محل اتصال  RCC در بالای بال، سپر حرارتی اصلی، محل برخورد با RCC لبه ی حمله ی بال و سطح بالايي فلپ بدنه به كار مي رود. كاشيهاي HRSI از مناطقي كه دمايشان زير 2300 درجه فارنهايت است، محافظت مي كند. رنگ سياه اين كاشيها به منظور ساطع و منعکس كردن حرارت اعمالي حين ورود به جو زمين لازم است.

3-  FRCI[13] ـ كاشيهاي  سياه رنگي هستند كه به نام عايق ديرگداز كامپوزيت رشته اي معروفند. اين كاشيها بعدها در برنامه سيستم حفاظتي ـ حرارتي توسعه داده شده اند. كاشيهاي FRCI با كاشيهاي HRSI در برخي مناطق خاص سطح مدارپيما جايگزين شدند.

4- LRSI [14] ، كاشيهاي عايق سفيدرنگ دما پايين، كه در مناطق جلو، ميانه و انتهاي بدنه، دم عمودي، قسمت فوقاني بال و پوسته OMS/RCS استفاده مي شود. اين كاشيها مناطق ذكر شده را در مقابل دماي زير 1200 درجه فارنهايت محافظت مي كنند و داراي پوشش سفيد رنگی برای بهبود ويژگيهای حرارتی پوسته در مدار می باشند.

5- AFRSI [15] ، بعد از پرواز داخلی كلمبيا از پايگاه  مونتاژ  Rockwell International واقع درPalmdale بود که عايق پيشرفته انعطاف پذير چندبار مصرف توليد شد. اين مواد شامل عايقهاي پارچه اي ضربه گيري هستند كه بين دو لايه پارچه سفيد و بافتني به هم دوخته شده قرار گرفته تا يك پوشش پتو مانند را به وجود  آورند. اين پوششها با جايگزينی نمد نومکس با نمدی از جنس سيليکا به دوام و پايداری تا دمای دو برابر دست يافتند.  AFRSI   در فضاپيماهای Discovery و Atlantis ، به طور وسيعی جايگزين LRSI شد . به دنبال هفتمين پرواز کلمبيا اکثر کاشيهای LRSI با AFRSI ، جايگزين شدند. روکشهای AFRSI نسبت به کاشيهای LRSI قابليت توليد و پايداری بيشتری دارند، هزينه و وقت را کاهش می دهند و وزن کمتری دارند. عايقهای AFRSI مناطقی را که دمايشان زير 1200 درجه فارنهايت باشد محافظت می کنند.

6- روکشهای ( پتو ) سفيد ساخته شده از Nomex روکش شده به عنوان عايقهای نمدی چندبار مصرف می باشند که بر روی درهای محفظه ی بار ميانی، قسمتهاي ميانی و انتهايی بدنه و قسمتهايی از سطح فوقانی بالها و يک قسمت از پوششهای OMS/RCS کاربرد دارند. روکش های FRSI مناطقی را که دمای زير 700 درجه فارنهايت دارند محافظت می کند.

 

   RCC  کربن-کربن تقويت شده

      ساخت RCC با پارچه ی از ابريشم مصنوعی گرافيت شده و مستحکم شده در رزين فنليک آغاز شد. اين پارچه ی مستحکم شده به عنوان يک لايه در عايق  چند لايه در اتوکلاو قرار می گيرد.

اين ورقه ها برای تبديل رزين به کربن قير اندود می شوند و با فورفورال[16] الکل در يک محفظه خلأ اشباع شده سپس لايه قيراندود و ترميم شده دوباره توسط فورفورال الکل به کربن تبديل می شود. اين فرآيند سه مرتبه تکرار می شود تا اينکه خواص مطلوب کربن _ کربن به دست آيد.

برای به دست آوردن حالت ضد اکسيداسيون جهت ايجاد قابليت استفاده مجدد، لايه های بيرونی RCC به سيليکون کاربايد تبديل  می شوند بدين صورت که RCC  در يک محفظه تقطير با مواد خشکی که از مخلوط آلومينا با سيليکون و سيليکون کاربايد تشکيل شده پوشانده مي شود. اين محفظه تقطير در يک کوره جای داده می شود و فرآيند دگرگونی لايه در گاز آرگون طی يک سيکل پله ای زمان- دما تا رسيدن به دمای بالای 3200 درجه فارنهايت ادامه مي يابد. حين اين عمل يک واکنش ديفوزيونی بين مواد خشک و کربن _کربن رخ می دهد که طی آن لايه های خارجی بدون هيچ افزايش ضخامتی به سيليکون کاربايد ( به رنگ سفيد- خاکستری ) تبديل می شود.

اين همان پوشش سيليکون کاربايد است که کربن – کربن را از اکسيداسيون محافظت می کند. وجود پوشش سيليسيم کاربايد ترکهای سطحی که در اثر عدم هماهنگی بين آلفاهای (ضريب انبساط حرارتی) متفاوت به وجود می آيد و نياز به مقاومت اکسيداسيون بيشتری دارد را گسترش می دهد. اين مورد با اشباع لايه RCCتوسط تترا اتيل آرتوسيليکات برطرف مي شود سپس به وسيله يک روکش شيشه ای درزگيری می شود.

 

 

لايه RCC فوق العاده شبيه به يک ساندويچ (لايه – لايه) طراحی شده است. چرا که اين طراحی از لحاظ وزنی بسيار سبک و مقاوم می باشد و انتقال حرارت تابشی را از ناحيه گرم به سرد افزايش می دهد. بنابراين کاهش و افت حرارتی در اطراف لبه حمله را به دنبال دارد. گستره کاربرد RCC از منفی 250 درجه فارنهايت زير صفر تا حدود 3000 درجه فارنهايت می باشد. RCC دارای مقاومت به خستگی بالايی است که طی ورود و خروج از جو آزمايش شده است. صفحه های RCC به طور مکانيکی به وسيله يک سری اتصالات متحرک به منظور کم کردن فشار وارد بر اين صفحات بر اثر انحراف بال به آن متصل می گردد. واشر بين هر صفحه لبه حمله بال به شکل يک واشر T می باشد. واشر T ارتعاشات اضافی و اختلاف ضريب انبساط حرارتی بين RCC و بال بدنه را جبران می کند. علاوه بر اين از ورود جريان مستقيم گازهای داغ لايه ی مرزی به درون شکاف لبه حمله بال حين ورود به جو جلوگيری می کنند. واشرهای T از RCC ساخته شده اند.

 از آنجايی که کربن يک هادی حرارتی مناسب محسوب مي شود اتصالات فلزی مجاور آلومينيم در مقابل دماهای بالا بايد به وسيله عايق های حرارتی داخلی مناسب محافظت شوند.  قطعات Inconel 718 و A-286 از يک طرف به لبه های RCC چفت شده و از طرف ديگر به تيرکهای آلومينيمی بال و جداره دماغه متصل می شوند. عايق Cerachrom با پوشش  Inconel اتصالات فلزی و تيرک های بال را در برابر حرارت متساعد شده از درون سطح صفحات  RCC محافظت می کند.

 عايق حرارتی مخروط دماغه از آستر پتويي بافته شده از الياف سراميکی و با هسته ای از الياف سيليکا تشکيل شده است. از کاشی های FRCI يا HRSI به منظور حفاظت قسمت جلويی بدنه در برابر حرارت متساعد شده ناشی از گرمای سطح داخلی RCC استفاده می گرد

درطیعمليات های پروازی صدماتی در ناحيه بين RCC کلاهک دماغه و درهای اصلی ارابه فرود دماغه ناشی از تنش حين بالا رفتن و حرارت زياد حين ورود به جو پديدار گشت. در نتيجه کاشی های HRSI در اين بخش با RCC جايگزين شده اند.

در نواحی مجاور اطراف محل اتصال جلوی مدار پيما به ( ET) مخزن سوخت خارجی، پوشش سراميک حوله ای AB312 بر روی قسمت جلويی بدنه مدارپيما قرار گرفته است که RCC بر روی آنها کشيده شده و توسط متعادل کننده های فلزی جهت حفاظت بيشتر از اتصالات انفجاری نصب شده است.

  کاشيهای عايق دما بالای چندبار مصرف HRSI

 

 

 

کاشي های HRSI از الياف نامنظم سيليکا با چگالی کم و خلوص بالا 8/99% (الياف ساخته شده ازماسه های عادی به ضخامت 1 الی 2 ميل) ساخته می شوند که طی يک فرآيند سينترينگ[17]  دما بالا به صورت صلب به هم متصل می شوند. به علت آنکه 90 درصد کاشی تخريب می شود و فقط 10 درصد باقيمانده را مواد اصلی تشکيل می دهد وزن آن تقريباٌ 9 پوند بر فوت مکعب می باشد.سپس دوغابی شامل فيبرهای مخلوط شده با آب، به درون بلوکهای متخلخل نرم ريخته می شود و سپس محلول چسب سيليکايی به آن اضافه می شود. پس از سينترينگ بلوک سختی حاصل می شود که به چهار قسمت يکسان برش داده شده و سپس به اندازه های دقيق مورد نياز هر بخش توسط ماشين تراشيده می شوند.

       ضخامت کاشی های HRSI بين 5-1 اينچ متفاوت است. تفاوت ضخامت کاشی ها را گرمای وارد شده در حين ورود به جو تعيين می کند. عموماٌ HRSI هايی که در قسمت جلويی فضاپيما به کار رفته ضخيم تر و آنهايی که در قسمت انتهايی به کار رفته اند نازکتر هستند. به جز يک قسمت سايز کاشی های HRSI 6 در 6 اينچ مربع می باشد که و در آن يک قسمت کاشی ها از نظر اندازه و شکل بسيار متفاوتند. کاشی های HRSI ، در مقابل شرايط برودت فضا، شوک حرارتی در اثر سرد و گرم شدن مداوم، و امواج شديد صوتی (165 دسيبل) در هنگام پرتاب مقاوم هستند.

       برای مثال کاشی HRSI که از کوره ای به دمای 2300 درجه فارنهايت بيرون آورده شده را می توان  بدون آنکه صدمه ای ببيند در آّب سرد فرو برد. حرارت سطحی اين نوع کاشی آن چنان سريع از دست می رود که چند ثانيه بعد از خروجش از درون کوره، بدون دستکش و با گرفتن لبه ها قابل حمل است در حاليکه وسط آن هنوز از حرارت سرخ است .

کاشی های HRSI با مخلوطی از پودر تترا سيليسايد و شيشه برو سيليکات روی قسمتهای بالايی و کناری پوشانده می شوند . اين مواد بر روی کاشی به منظور ايجاد پوششی به ضخامت 16 تا 18 ميلی اسپری می شود. سپس کاشی پوشش داده شده در کوره گذاشته شده و با دمايی در حد 2300 درجه فارنهايت حرارت داده می شود. نتيجه ايجاد يک پوشش سياه ضد آب براق است که دارای گسيل سطحی 85/0 و ضريب جذب انرژی خورشيدی 85/0 می باشد.پس از انجام عمليات حرارتی بر روی پوشش سراميکی، فيبرهای سيليکايی باقيمانده با يک رزين سيليکونی به منظور ايجاد يک ماده ی درزگير ضد آب فرآوری می شود.

بايد توجه کرد که کاشی ها در برابر نيروهای اعمالی در اثر تغيير شکل سازه نمی توانند مقاومت کنند، بنابراين وجود يک ضربه گير بين کاشی ها و سازه ی مدارپيما ضروری است. اين ضربه گير از يک پد عايق الاستيک( SIP ) بدست مي آيد .SIP ها از کاشی ها در برابر تغييرات سازه ای، انبساط ها و تحريکات صوتی محافظت می کند و بدين گونه فشاری بر روی کاشی ها اعمال نمی شود. SIP ها عايق هاي حرارتی هستند که از مواد نمدی Nomex به ضخامت 090/0 و 115/0 و 165/0 اينچ ساخته شده اند.SIP به کاشی متصل شده و طی فرآيند RIV هر دو توأماٌ بر روی بدنه فضاپيما نصب می شوند.

 

 

 

نمد Nomex از الياف پايه آراميد تشکيل می شود. اين فيبرها 2 دينرز ضخامت و 3 اينچ بلندی دارند و مجعد اند . اين رشته ها به درون دستگاه دسته بندی وارد می شوند که دسته های الياف را شانه زده و از هم باز می کند و به الياف لطيف، باريک و بلندی تبديل می کند. اين رشته های همسان و موازی شده تشکيل يک شبکه می دهند. اين شبکه در يک دستگاه نساجی حلاجی می شود ؛ عموماً چنين شبکه هايي روبه روی هم تشکيل نمدFelt می دهند. سپس اين نمد به طور ظريفی تا رسيدن به مقاومت دلخواه سوزن دوزی می شود