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)