kosmo.cz - Pilotované lety - STS - Potíže s tepelným štítem raketoplánu

POTÍŽE S TEPELNÝM ŠTÍTEM RAKETOPLÁNU

Lubor LEJČEK (L+K 19/1981)

Jednou z podmínek vícenásobného použití kosmického raketoplánu je dokonalá tepelná ochrana. Při návrhu tepelného štítu amerického raketoplánu použili konstruktéři materiálů vyzařující teplo, jejichž údržba po letu měla být minimální. Zdá se však, že to nebyla volba nejšťastnější. Koncepce tepelného štítu byla detailně popsána v L + K 54, 1979. č. 16. s. 624; připomeňme jen, že jej tvoři přibližně 31 000 dlaždic z kompozitních materiálů., nalepených na drak raketoplánu. Dlaždice typu uhlík-uhlík (uhlíková vlákna v uhlíkové matrici-RCC) se používají v tepelně nejnamáhavějších částech. jako je příď trupu či náběžné hrany křídla a směrovky, dlaždice křemenného typu (křemenná vlákna v křemenné matrici) s černým pigmentem do teplot 1300 °C (HRSl) a s bílým pigmentem do 700 °C (LRSI) na hřbetě, motorových krytech apod. Výjimkou je spoj elevonů s křídlem, který je pokryt ablativním materiálem. Většina dlaždic má čtvercový tvar o rozměrech 150 x 150 mm čí 200 x 200 mm. Jejich vnější i vnitřní tvar je přizpůsoben profilu křídla. směrovky a trupu raketoplánu. Některé dlaždice, zvláště zakončovací, mají složitější geometrický tvar. Část dlaždic je opatřena snímači k měření aerodynamického chování raketoplánu.

Projekt takto navrženého tepelného štítu vypadal zpočátku dosti slibně. Bezprostředně poté, co se přikročilo k jeho realizaci, však nastaly první potíže. Plánovaná rychlost lepení dlaždic byla zhruba 650 kusů za týden, ovšem ve skutečnosti se dosahovalo týdenního přírůstku 400 až 450 dlaždic. Projektanti zjevně podcenili tak náročnou operaci, jakou je vlastní lepení dlaždic. Potah trupu raketoplánu, který je z hliníkové slitiny, je třeba nejprve natřít epoxidovou substancí, zabraňující oxidaci materiálu. Na ní se nalepí mylarové vodicí pásky, které vymezují místo k přilepeni nylonového izolačního hranolku v budoucí mezeře mezi dlaždicemi. Nezávisle na těchto operacích se mezitím lepí dlaždice k nylonové podložce Nomex: spodní část dlaždice se pokryje silikonovým elastomerem- (polymerizujícím za pokojové teploty) a po přiložení podložky se celek zatíží. Po několika hodinách, kdy proběhla počáteční fáze polymerizace elastomeru, se takto upravené dlaždice lepí napovrch raketoplánu. Po dobu zasychání lepidla (4 dny) ji na příslušném místě přidržuje bud mechanické nebo vakuové zařízeni.

Kvalitu spoje prověřuje zatěžkávací zkouška, při níž se speciálními přísavkami k dlaždici připevni testovací zařízení a přesně určeným tahem se spoj namáhá. O celém procesu lepeni, výsledku zatěžkávací zkoušky a přesnému umístění dlaždice na trupu vedou inspektoři NASA a firmy Rockwell důkladné záznamy. Protože se nedosáhlo plánované rychlosti lepení, nepodařilo se zákonitě během kompletace raketoplánu Columbia v továrně firmy Rockwell v Palmdale ve stanoveném termínu nalepit asi 7000 dlaždic. Jelikož však plán dalších prací na raketoplánu předpokládal jeho přemístění do montážní budovy na mysu Canaveral, rozhodli odpovědní činitelé dokončit lepení dlaždic až tam. Pro přelet na mys Canaveral však muselo být provizorně na trup raketoplánu upevněno asi 500 polyuretanových dlaždic, zajišťujících jeho dobré obtékání při ustavení na hřbetě upraveného Boeingu 747. Asi 2000 provizorních dlaždic, u nichž se předpokládalo větší aerodynamické namáhání, byly přilepeny dvoustrannou izolepou a v rozích přichyceny ještě elastomerem. Zbylé provizorní dlaždice byly upevněny jen dvoustrannou izolepou.

Při zkušebním letu 9. března 1979 však některé z provizorních dlaždic na náběžné hraně směrovky odpadly a došlo k po- škození několika dlaždic tepelného štítu. Nezbylo, než upevnit provizorní dlaždice důkladněji, takže se přelet na mys Canaveral mohl uskutečnit až se čtrnáctidenním zpožděním. Po přeletu se naopak zjistilo, že provizorní dlaždice jsou upevněny příliš pevně, což způsobovalo potíže při jejich odstraňování. Bylo nutné pracně čistit drak od zbytků lepidla a opravovat případné škrábance.

Situaci již dost komplikovanou obtížemi při snímání provizorních dlaždic neočekávaně ještě dále vyhrotily výsledky série tepelných a dynamických testů tepelného štítu, při nichž byly zkušební dlaždice umístěné na letounu F-16 podrobeny mj. simulovanému aerodynamickému zatížení při startu (zkoumaly se zvláště dlaždice na náběžných hranách křídla a směrovky).

Testy totiž odhalily nedostatky, jejichž odstranění přineslo další značné zpoždění data startu. Mezi nejzávažnějšími příčinami se uvádělo, že

a) tepelná kompatibilita mezi dlaždicí a nylonovou podložkou není tak dobrá, jak se předpokládalo, a izolační podložka proto může vyvolávat v dlaždici koncentrace napětí, vedoucí ke vzniku trhlin,

b) aerodynamické zatížení je na některých místech větší., než se očekávalo, a mohlo by způsobit odpadání dlaždic.

Z toho vyplynul jednoznačný závěr: některé dlaždice je nutné silněji upevnit.

Zmíněné testy současně poskytly nové kvalifikační hodnoty požadovaného upevnění dlaždic, které lze shrnout asi takto: spoj 6300 dlaždic musí dosahovat pevnostní úrovně 16-52 kPa, 3000 dlaždic hodnot v rozmezí 52-68 kPa. 5500 dlaždic pevnosti mezi 68-104 kPa a 247 dlaždic by mělo být přilepeno s pevností nad 104 kPa. Aby byla dodržena tato nová kriteria, rozhodlo vedení projektu raketoplánu asi 15000 dlaždic již upevněných znovu otestovat a zhruba 3000 dlaždic sejmout a znovu přilepit (lepí se vždy nové, nikoliv odlepené dlaždice). U přibližně 3400 dlaždic se uvažovalo ještě o zvýšení jejich hustoty a tudíž i jejich pevnosti. Z tohoto počtu bylo nezbytně nutné zahustit 1700 dlaždic .

Při tahových testech se někdy podařilo dlaždici od potahu dokonce odtrhnout. Např. z 1000 dlaždic testovaných podle nových kritérií mezi 16. až 18. říjnem 1979 jich bylo odtrženo 20 (je třeba ale podotknout, že při zkouškách byla dlaždice zatěžována na 125 % předpokládaného tahu, kromě toho bylo v ojedinělých případech dosahováno neplánovaně vysokých zatížení, způsobených komplikovanější geometrií dlaždic). Lepšího rozložení teploty a tudíž i odstranění koncentrací napětí pod některými dlaždicemi se dosáhlo vložením přibližně 1 mm tlusté grafitové destičky, která je tepelně kompatibilní s dlaždicí. K lepení však bylo nutné použít jiného lepidla. Potíže působily také pružné křemenné ucpávky, umísťované mezi dlaždice ve zvláště namáhaných místech (na raketoplánu je jich kolem 4500). Zkoušky ukázaly, že ucpávky pravděpodobně vydrží pouze jeden let. To by nebyl takový problém ve srovnání s tím, že ucpávky měly bílou barvu a tudíž nevyzařovaly teplo tak efektivně. Proto se povrch ucpávek dodatečně pokrýval karbidem křemíku, takže některé ucpávky vydrží i další let.

Trvalé starosti však vyvolává křehkost dlaždic, která může být omezujícím faktorem životnosti celého tepelného štítu. Tak v okamžiku startu hrozí štítu poškození padajícím ledem, který vzniká kondenzací vodní páry na kyslíkové nádrži. Toto nebezpečí bylo preventivně omezeno tím, že k obslužné věži startovní rampy bylo připojeno rameno přidržující na vrcholku nádrže prstencový kryt s odsávačem, snižujícím množstvím ledu vznikajícího na nádrži (rameno i s krytem se odtahuje v T-2 min). Kromě toho bude stav námrazy na nádrži sledovat několik televizních kamer.

Také v první variantě oddělování nádrže výbušnými nýty hrozilo nebezpečí poškození dlaždic na spodní části raketoplánu, po úpravách oddělovacího systému je poškození vyloučeno. O tom, že křehkost dlaždic a jejich upevnění dělá konstruktérům starosti, svědčí i návrh inspekce tepelného štítu na oběžné dráze pomocí kamery upevněné na manipulátoru, s případnou opravou poškození při EVA (předpokládalo se, že osádka bude schopna opravit trhliny či jednotlivé vypadlé dlaždice sprajem ablativního materiálu, který polymerizuje ve vakuu, větší poškození měly zakrýt desky ablativního materiálu. Avšak vzhledem k tomu, že dlaždice tepelného štítu byly důkladně přezkoušeny, případně pevněji přilepeny, takže vyhovovaly vyšším kritériím v namáhání na tah, byla inspekce tepelného štítu při prvním letu zrušena.

Instalace tepelného štítu Columbie byla definitivně dokončena v prosinci 1980, raketoplán byl 29. prosince vyvezen na rampu 39A a 12 dubna 1981 odtud vzlétl k prvnímu zkušebnímu letu (viz L + K 57,1981, Č. 14, s. 547-548, Č. 15, s. 583-585). Asi dvě hodiny po startu, po otevření dveří nákladového prostoru, zjistil kosmonaut Crippen, že během startu, pravděpodobně v okamžiku vzniku rázové vlny při překročení rychlosti zvuku, odpadly jedna či dvě celé dlaždice a části dalších dlaždic z gondol orbitálních manévrovacích motorů OMS. Šlo o dlaždice LRSI s bílým pigmentem, u nichž se při přistávání nepředpokládalo vyšší tepelné namáhání. Kosmonauti dále s uspokojením konstatovali, že ani na náběžných hranách křídla a směrovky ani na přídi při pohledu z oken raketoplánu nezjistili viditelné známky poškození. Nebylo ale jisté, zda se nepoškodil tepelný štít na spodní části raketoplánu. Na základě rychlého rozboru situace však představitelé NASA dospěli k názoru, že ke kritické ztrátě dlaždic nedošlo a že tedy lze v letovém programu pokračovat bez změn.

Po úspěšném přistání 14. dubna 1981 specialisty pochopitelně zajímalo, jak přestál tepelný štít let atmosférou a jaké opravy budou nutné před druhým letem. Zjistilo se, že asi na 50-75 místech došlo k poškození nylonového izolačního hranolku v mezeře mezi dlaždicemi, případně pouze k opálení jinak červeného silikonového kaučukového elastomeru na povrchu hranolku proudem vzduchu o teplotě 480-540 °C. Největší spálená oblast (asi 150 mm dlouhá) byla nalezena pod dlaždicemi na levých dveřích hlavního podvozku. Důkladně jsou zkoumány mezery mezi dlaždicemi HRSl s černým pigmentem, zda tam nedošlo k poškozeni izolačních hranolků. Bude-Ii shledáno poškození, budou mezery pro druhý let vyplněny ucpávkami. Zjištěné zkroucení konstrukce v pravém vnitřním rohu levých dveří hlavního podvozku bylo způsobeno vniknutím turbulentního proudu horkého vzduchu do mezery mezi dlaždicemi. Proud vnikl do mezery v důsledku nestejné výšky dlaždic v tomto místě. K opravení deformovaných dveří bude třeba odstranit asi osm dlaždic. Horký turbulentní proud pronikl také do mezery mezi trupem a levým křídlem dveří příďového podvozku a značně poškodil dvě dlaždice na přední hraně těchto dveří. Proud vzduchu se však odrazil zpět ven, takže ke kritickému poškozeni izolace dveří nedošlo. Oprava si nicméně vyžádá výměnu čtyř dlaždic.

Během letu bylo v důsledku pnutí, které v průběhu letu působilo na konstrukci, asi 13 dlaždic ztraceno. Detailní prohlídka ukázala, že na gondolách OMS odpadla jen jedna celá a části několika dalších dlaždic (aby se usnadnilo lepení ve složitě tvarovaných částech draku, byly dlaždice při instalaci děleny na menší částí). Důkazy drobné vzájemné kolize dlaždic byly pozorovány v okolí pravého krytu přívodu palivového potrubí z vnější nádrže k motorům raketoplánu (kryt se nachází v zadní částí spodní plochy raketoplánu a uzavírá se po přerušení potrubí a odhozeni nádrže). Spodní část raketoplánu jinak nenese žádné stopy poškození po oddělení palivové nádrže.

Odlepení grafito-epoxidové voštinové struktury v zadní části pravé gondoly OMS a ztmavnutí stejného místa na levé gondole nasvědčuje velmi silnému ohřevu gondol (teplota zde dosáhla 760 °C místo předpokládaných 370 °C). Pro příští lety zde proto bude umístěno 25 černě zbarvených dlaždic HRSl.

Asi na 300 místech tepelného štítu byl poškrábán povrch dlaždic, respektive uštípnuty rohy dlaždic. Toto poškozeni bylo asi z 80 % způsobeno úlomky izolace, která během startu odpadávala z palivové nádrže, a asi z 20 % kaménky z přistávací dráhy na povrchu vyschlého solného jezera. Ve čtrnácti ze šestnáctí zkoumaných oděrek byly totiž nalezeny stopy SbO₂. který tvořil součást latexové barvy nanesené na nádrži . Větší poškozeni o délce 200 mm, šířce 50 mm a hloubce 26 mm na pravém křídle dveří příďového podvozku bylo způsobeno patrně kusem ledu o průměru 25 mm, který po odpadnutí z palivové nádrže narazil na dlaždice štítu rychlosti kolem 128 m/s. Při návratu byla dlaždice naštěstí vystavena teplotě nižší než 1038 °C a tak nedošlo k její deformaci v důsledku tepelných pnutí (při takovémto poškození ztrácí dlaždice částečně svou schopnost vyzařovat teplo a při teplotě nad 1038 °C by došlo k její deformaci).

Podobné poškození o ploše 52 x 78 mm² bylo zjištěno na spodní části brzdicí klapky pod hlavními motory. I zde pravděpodobně dopadl úlomek ledu. Zde však působením tepla došlo k distorzi dlaždice. Klapka byla totiž při brždění vyklopena řídicím systémem více než se očekávalo a proto na ní teplota dosáhla hodnoty pouze o 120 °C nižší, než je možné maximum (1400 °C). Ucpávky mezi dlaždicemi klapky přestály zvýšenou teplotu bez úhony a napříště je stačí pokrýt karbidem křemíku a jejich vyzařovací schopnost se zlepší (odhady před letem původně počítaly s výměnou ucpávek). Na pravém elevonu blíže k trupu raketoplánu urazil větší úlomek většinu boro-silikátové glazury dlaždice. Přesto dlaždice nenese velké stopy tepelné distroze, což svědčí o tom, že zde teplota dosáhla hodnoty kolem 1038 °C (i když nepříliš vzdálená brzdicí klapka byla v oblasti 1280 °C).

Na některých částech povrchu štítu (jednak na trupu, jednak na elevonech) jsou patrné bílé pruhy z teplem rozloženého silikonového kaučuku, vkládaného do některých mezer mezi dlaždicemi pro zesílení jejich upevnění a zvýšení tepelné izolace v mezerách. Pruhy vytvořily usazeniny CaO a TiO₂, uvolněné ze silikonového kaučuku jeho tepelným rozkladem. Únik tohoto materiálu z mezer se očekával. Pruhy nemají žádný vliv na funkci tepelného štítu při dalších letech; zuhelnatělé zbytky kaučuku budou z mezer odstraněny a mezery se znovu zaplní novým materiálem. Kromě těchto pruhů jsou na povrchu raketoplánu další usazeniny. Jedny jsou pozorovatelné jen pod určitými úhly, jiné mají podobu hnědých depozit na bocích raketoplánu. Jejich původ bude vysvětlen až po chemickém rozboru. V prostoru za hlavním vstupem do raketoplánu, v místech bílých dlaždic LRSI, došlo k jevu, jehož původ také není objasněn - ztmavly tam dlaždice pod povrchovou glazurou. Technici zatím odebrali jejich vzorky pro testy.

Čísla označující polohu dlaždic na potahu zůstala všude rozeznatelná a také název raketoplánu a vlajka zůstaly nepoškozeny. Pouze pokyny pro nouzové otevření dveří na boku kabiny pod okny byly opáleny.

Ablativní materiál chránící spojení elevonů s křídlem byl opálený, ale jinak nepoškozený. V této oblasti se počítalo s maximální teplotou 1732 °C, skutečná teplota však byla o 316 °C nižší. Jestliže i při dalších letech zde teplota nepřesáhne tuto hodnotu, bude ablativní materiál nahrazen dlaždicemi.

Na náběžných hranách křídla a směrovky a na přídi raketoplánu, které pokrývá kompozitní izolační materiál RCC, nebyly shledány podstatné závady. Příď se zahřála asi jen na 1094 °C místo předpokládaných 1427-1482 °C. Také dveře nákladového prostoru zůstaly nepoškozené. Aerodynamická jemnost raketoplánu byla pětkrát lepší než odhadovaná a proto byl povrch raketoplánu oproti očekávání průměrně o 15-30 °C chladnější. Z toho důvodu nedošlo k většímu poškození ani v místech, kde byl tepelný štít porušen.

Po prvním letu lze konstatovat, že materiál použitý ke konstrukci tepelného štítu prokázal své dobré tepelně izolační vlastnosti. Celkově byl tepelný štít shledán v dobrém stavu, třebaže bude nutné před druhým letem vyměnit 2,5-3 % z celkového počtu křemenných dlaždic. I když se do budoucna procento poškození patrně sníží (např. zpevněním tepelné izolace vnější palivové nádrže a přistáváním na betonové dráze), křehkost dlaždic nadále vyvolává obavy z nepředvídatelného poškození za letu (nehledě na snadné poškození při pozemní obsluze - 11. června 1981 např. došlo při zkoušce hydrauliky řízení ke kolizi elevonu a obslužné pracovní plošiny: výsledkem byla výměna dalších 40 dlaždic). Druhý exemplář raketoplánu STA 099 Challenger bude sice vybaven identickým tepelným štítem, ale všechny na něm použité křemenné dlaždice budou zahuštěny pro zvýšení jejich pevnosti.

Obavy z křehkosti křemenných dlaždic vedly NASA k tomu, že na jaře 1980 zadal kontrakt na studium nových koncepcí tepelného štítu. Dvě dosud navržené koncepce preferují použití kovových desek, třetí použití desek z kompozitního materiálu typu RCC. (Když začínal projekt amerického kosmického raketoplánu, volili jeho konstruktéři tepelný štít z křemenných desek jen proto, že neměli k dispozici přesné údaje o tepelném namáhání konstrukce při startu a přistání - křemenné desky totiž mohou pracovat ve větším teplotním rozsahu než desky kovové.)

V místech, kde teplota nepřesáhne 540 °C, by stačily titanové desky o rozměrech 300 x 300 mm, vyráběné z titanových fólií spojovaných difúzní technologií. Desky by byly jednou hranou přilepeny k trupu, ostatní hrany by překrývaly další řadu desek (podobně jako např. u eternitové střešní krytiny). Účinnost takového štítu by měla být prakticky ověřena koncem roku 1983 při letu raketoplánu OV-103 Discovery, který by na boku pod závěsem dveří nákladového prostoru nesl čtyřiadvacet takových desek. V místech s vyšší teplotou by bylo třeba použít krytu z kovových desek odolávajících těmto teplotám. Mezi deskami a trupem by ovšem musela ještě být izolace (např. na bázi křemenných vláken).

Pro místa vystavená teplotám v rozmezí 870-1090 °C by byly vhodné asi 1,8 mm tlusté desky z uhlíkatých vláken o rozměrech 0,9 x 0,9 m, spojené s trupem raketoplánu sedmnácti kovovými spojkami 48 mm dlouhými (spojky usnadňují demontáž desek). V místech spojek se uhlíkové desky zesilují, prostor mezi deskami se opět vyplňuje vláknitou izolací na bázi křemene. Tento typ izolace je možné použít na spodní části raketoplánu, zvláště v okolí dveří příďového podvozku.

Mezi přednosti štítů nových koncepcí patří větši pevnost a mechanická odolnost desek a jejich vzájemné překrývání, takže neexistují mezery, které by bylo nutné dodatečně chránit. Tyto přednosti mohou natolik ovlivnit rozhodování vedoucích činitelů NASA, že při stavbě dalších exemplářů raketoplánu či při vývoji budoucího kosmického transportního systému již může být použito tepelného štítu nového typu.

Pro potřeby MEK přepsal D.Lazecký s laskavým svolením autora.

Aktualizováno : 12.01.2003

[ Obsah | Pilotované lety | STS ]

Pokud není uvedeno jinak, jsou použité fotografie z NASA (viz. Using NASA Imagery) a dalších volně přístupných zdrojů.

(originál je na https://mek.kosmo.cz/pil_lety/usa/sts/lk1.htm)