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 RCC توسط 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.

سپس نمد به همين روش تقويت می شود تا به استحکام مورد نظر دست يابد. نمد دوخته شده به منظور پايداری در يک ضخامت 16/0 اينچ تا 40/0 اينچ با عبور بر روی رولرهای حرارتی در فشار مورد نظر غلتانده می شوند. مواد غلتانده شده در حدود 500 درجه فارنهايت جهت پايداری حرارتی نمد گرما فرآوری می شوند. به منظور تطبيق کاشی ها با بدنه، لازم است فاصله شکاف بين کاشی ها، 25 تا 65 ميلی (mil) در نظر گرفته شود تا از برخورد کاشی به کاشی جلوگيری شود. در قسمت زير حد فاصل بين کاشی ها به اين نمد عايق Nomex نياز می باشد. 

 فرآيند توليد کاشی های FRSI - 12

فرآيند توليد کاشی های FRSI - 12  همان روشی است که برای کاشی های HRSI با خلوص سيليکايی 8/99 درصد به کار برده شده، تنها تفاوت موجود در پيش سخت کردن دوغاب قبل از قالب گيری است که به دمای سينتريگ بالاتری نياز دارد. با خشک شدن اين مواد يک قطعه سخت حاصل می شود که به چهار قسمت برش داده شده و سپس به اندازه های مورد نياز هر کاشی به وسيله ماشين تقسيم می شوند. کاشی های FRSI – 12 درست به اندازه کاشی های HRSI يعنی 6*6 اينچ هستند و از نظر ضخامت بين 1 تا 5 اينچ متفاوتند. علاوه بر آن پوشش بهبود يافته کاشی های FRSI – 12 حدود 15% بيشتر از HRSI هستند. اين کاشی ها همچنين از لحاظ اندازه و شکل در مناطق خارجی متفاوتند و ضرورتاٌ در همان بخشهايی که HRSI استفاده می شوند نصب خواهند شد.

کاشی های FRSI – 12 جايگزين کاشی HRSI با چگالی 22 پوند در هر فوت مکعب، می شوند. چگالی کاشی های  FRSI – 12 ، 12 پوند در هر فوت مکعب می باشد و استحکام، پايداری، مقاومت به ترک بيشتر و وزن کمتری دارند.

 LRSI: کاشی های LRSI از نظر ساختار و اساس کار همانند کاشی HRSI با سيليکای 8/99% هستند. البته LRSI از HRSI نازکتر هستند. (2/0 تا 4/1 اينچ) . کاشی های LRSI با سيليکای 8/99% به همان شيوه کاشی های HRSI با سيليکای بالا ساخته می شوند، به جز مواردی که اندازه آنها 1 در 8 اينچ مربع می باشد و جايی که دارای پوشش مقاوم به رطوبت و نور سفيد با ضخامت mm10 در اطراف ورودی کاشی می باشند. علاوه بر آن پوشش سفيد باعث کنترل حرارت بر روی شاتل می شود. اين پوشش از ترکيبات سيليکايی همراه با اکسيد آلومينيم براق جهت ايجاد خواص نوری تشکيل شده است. کاشی های LRSI با سيليکای 8/99% نيز مشابه کاشی های HRSI توسط يک بالک (جسم) ضد آب فرآوری می شود. کاشی های LRSI نيز مشابه HRSI ها بر روی فضاپيما نصب می شوند. کاشی های LRSI سطح گسيلی برابر 8/0 و قدرت جذب انرژی خورشيدی برابر 32/0 دارند. به علت وجود جريان پلاسما بر روی سطح زيرين لبه پشتی بال و لبه حمله الوان (محل خميدگی الوان – بال) LRSI با کاشی های FRSI – 12 و HRSI - 22 در سرتاسر بدنه و در محل بتونه کاری در مدارپيماهای Discovery و Atlantis جايگزين شدند. در Colombia ، تنها بتونه ها  در اين مناطق نصب می شوند.  

پتو های عايق چندبار مصرف سطحی

پوشش های AFRSI به طور وسيعی جايگزين کاشی های LRSI می شوند و شامل صفحه نسوز تشکيل شده از سيليکای رشته ای با چگالی کم هستند، که از سيليکايی با خلوص بالا و الياف نامنظم 8/99% - به ضخامت 1 تا 2 ميل، تشکيل  شده اند. صفحه نسوز بين سيليکای بافته شده بيرونی با دمای پخت بالاو يک لايه شيشه بافته شده درونی با دمای پخت پايين به شکل ساندويچ (لايه - لايه) قرار می گيرد. بعد از اينکه اين ترکيب با رشته های سيليکايی دوخته شد شکل يک لحاف پنبه دوزی شده را به خود می گيرد. روکش های AFRSI توسط سراميکهای سيليکايی چسبناک و الياف سيليکايی خلوص بالا جهت افزايش مقاومت، پوشانده می شوند. چگالی کامپوزيت AFRSI تقريباٌ بين 8 تا 9 پوند در هر فوت مکعب و ضخامت آن بين 45/0 تا 95/0 اينچ متفاوت است. ضخامت ذکر شده توسط حرارت اعمالی بر اين روکشها حين ورود به جو تعيين می شود و پس از بريده شدن به شکل و اندازه های مورد نياز توسط چسب سيليکايي RTV به ضخامت 20/0 اينچ به مدارپيما نصب می شوند. استفاده از اين چسب باعث کاهش وزن شده و ضريب انبساط حرارتی را حين تغييرات دمايي کاهش می دهد. پتو ی سوزن دوزی شده در کارخانه ی راک ول در اندازه ی  3 در 3 فوت مربع و با ضخامت های مناسب بافته می شود. استفاده مستقيم از اين روکشها، برای مدارپيما کاهش وزن، قابليت توليد و مقاومت بهتر، کاهش وقت و هزينه نصب و توليد کمتر را به دنبال دارد.

 عايقهای نمدی قابل تعويض در سطح

FRSI نيز همانند SIP از مواد  Nomex تشکيل شده است. FRSI ها از نظر ضخامت از 160/0 تا 140/0 اينچ،  با توجه به ميزان حرارت وارد شده حين ورود متفاوت هستند. اين عايق ها شامل لايه هايي به ضخامت 3 تا 4 فوت مربع، به جز در مناطق خارجی هستند که به وسيله چسب سيليکونی به ضخامت 20/0 اينچ به مدارپيما متصل می گردند. رنگدانه های سفيد سيليکون موجود در روکش لاستيکی به منظور ضد آب کردن عايق و ايجاد خواص حرارتی و نوری مورد نياز به کار می روند . FRSI دارای گسيل سطحی 8/0 و قدرت جذب انرژی خورشيدی 32/0 می باشد و حدود 50 % از سطح فوقانی فضاپيما را می پوشاند.

 سد های حرارتی

موانع حرارتی در مناطق بيرونی بين اجزاء مختلف مدارپيما و TPS از جمله : منطقه جلويی و انتهای RCS ، ترمز هوايي ، دماغه و درهای اصلی ارابه فرود، درب ورود و خروج خدمه،  دربهای تهويه، دربهای مخزن سوخت خارجی، تثبيت کننده عمودی، انتهای بدنه، محل اتصال RCC/HRSI لبه حمله بال و فصل مشترک کلاهک دماغه با HRSI  به کار رفته اند.

مواد مختلف مورد استفاده، الياف های آلومينا بروميکايي سفيد AB312 يا فيبرهای سراميکی سياهرنگ AB312 هستند که دور يک فنر ساخته شده از سيم Inconell 750 توسط فيبرهای سيليکايي در سرتاسر طول فنر، آلومينای توده ای، رشته های کوارتز و سراميکهای Macor بافته شده اند.

مواد درزگير کاشی ها از فيبرهای سفيد AB312 يا رنگدانه های سياه پوشش AB312 که شامل فيبرهای آلومينايي است، تشکيل شده است. اين مواد در اطراف لبه حمله در قسمت جلوی بدنه، کلاهک دماغه، شيشه های جلويي، دريچه ی کناری، بال، لبه پشتی الوان، تثبيت کننده عمودی، ترمزهوايي ، فلپ بدنه و سپر حرارتی در موتورهای اصلی شاتل به کار می روند.

 شناسه ی کاشی ها

هر کاشی TPS کد شناسايي ويژه ای دارد که به رنگ زرد روی آن نوشته شده است. اين رنگ، حين ورود به جو از بين نمی رود و تحت نام تجاری Spearex شناخته می شود.

 پرچم ها و کلمات

پرچمها و حروف روی مدارپيما با مواد اصلی سيليکون Dow Corning 3140 با افزودن رنگدانه حک می شوند. اين رنگ از نظر ساختار و اساس همانند رنگی است که برای رنگ کردن موتور اتومبيل به کار می رود و در دمايي بين 800 تا 1000 درجه فارنهايت از بين می رود.

آب بندی دوباره

بعد ازهر پرواز سيستم حفاظتی- حرارتی مدارپيما آب بندی می شود. بدين صورت که به درون حفره های موجود در سطح روکش هر کاشی Oimethylethoxysilane به وسيله تفنگ بدون سوزن تزريق می شود و DMES نيز بوسيله ی تفنگ سوزنی به درون پوششهای AFRSI تزريق می شود.

 شرکت های طرف قرارداد در ساخت :TPS

Vought Corporation, Dallas, Texas (RCC); Lockheed Missiles and Space Co. Inc., Sunnyvale, Calif. (HRSI and LRSI tiles and HRSI FRCI-12 tiles); Albany International Research Co., Dedham, Mass. (Nomex felt); General Electric, Waterford, N.Y. (room-temperature vulcanizing adhesive); 3M Company, St. Paul, Minn. (AB312 fibers); Santa Fe Textiles, Santa Ana, Calif. (Inconel 750 wire spring and fabric sleeving); ICI United States Inc., Wilmington, Del. (alumina mat); J.P. Stevens Co., Los Angeles, Calif. (quartz thread); Corning Glass Works, Corning, N.Y. (Macor machinable glass ceramic); Velcro Corp., New York, N.Y. (Velcro hooks and loops); Prodesco, Perkasie, Pa. (fibrous pile-S glass); Johns Manville, Waterville, Ohio (high-purity silica glass); and Rockwell International, Downey, Calif. (AFRSI quilted fabric).).
مراجع

{1} www.nasa.gov

 {2}مجله صنايع هوايي