Az űrrepülőgép sarokpontja, a visszatérés

Hővédő pajzs

Az űrrepülőgép külső burkolatát - mint egyfajta ruha - hővédő pajzs takarja be. A feladata kettős, egyfelől megóvni az űrrepülőgép szerkezetét a visszatérékor fellépő hőhatásoktól, másfelől pedig hőszigetelő burkolatként is fukcionál.


Az űrsikló hővédő pajzsának elosztása - klikk a nagyobb képért


A korai hővédő elemek (még nincs FRCI) - klikk a nagyobb képért
Mivel a visszatéréskor különböző fokozatú hőterhelést kap a gép, ezért régiókra van az egész külső felület felosztva, és mindenhol a kitett hőhatásnak megfelelő megoldást alkalmaznak.

RCC - Reinforced Carbon-Carbon ~ Megerősített Szén-Szén: A leginkább felhevűlő részek, úgymint az űrrepülőgép orrészének hegye, illetve a belépőélek, valamint a külső üzemanyagtartály rögzítési pontja körül alkalmazzák, ahol a hőmérséklet meghaladhatja az 1530 C°-ot. Az RCC gyártási folyamata dióhéjban annyi, hogy műselymet elszenesítenek, majd fenolos folyadékkal itatják át, amit egy autoklávban formára laminálnak és közben a fenolos folyadék is elszenesedik. Ezután alkoholos fűrdőbe helyezik, ami után újra kisütik, ahol az alkohol is elszenesedik.


Egy RCC záróelem metszete, érdemes megfigyelni a rostos szerkezetét - klikk a nagyobb képért
Az eljárást háromszor ismétlik, amíg a szükséges tulajdonságokat el nem éri. A külső felületét szilikáttal kezelik, hogy az oxidációtól védjék a már kész munkadarabot. Az RCC viszonylag kevés helyen való használatának oka az, hogy bár nagyon jól viseli a hőterhelést és a hőtágulása is minimális, viszonylag jó hővezető is egyben, ezért a szárnyaknál hőtűrő acél távtartókra szerelik, az orrhegynél pedig kerámia- és szilikát-szálas hővédő paplan helyezkedik el, és óvja az orr fém szerkezeti elemeit.

HRSI - High Temperature Reusable Surface Insulation Tiles ~ Magas Hőmérsékletű Újrahasználható Külső Szigetelő Téglák: Nagy tisztaságú szilikát-szálakból (ami egyszerű homokból származik) készül, kerámia-kötéssel megszilárdítva. A külső felületének védelme érdekében tetra-szilikát és boron-szilikát keverékével vonják be, amit aztán elektromos kemencében felhevítenek, ettől gyakorlatilag egy vékony, fekete üveg-felületet kap. A HRSI annyira alacsony sűrűségű, hogy mindössze a térfogatának a tíz százaléka anyag, a maradék rész gyakorlatilag űr, semmi. Elviseli azt, ha felhevítik 1500 C°-ra, majd rögtön hideg vízbe mártják, és olyan rossz hővezető, hogy egy hasonlóan felhevített téglát a széleinél meg lehet fogni puszta kézzel.


Egy HRSI tégla behelyezés előtt - klikk a nagyobb képért
A téglák vastagsága a hőterheléstől függően (előről-hátrafelé) egyre csökken. A gép orránnál még 12,7 centiméter vastagok, a farok-résznél már csak mintegy 2,54 centiméteresek. A szélességük és a hosszuk jellemzően 15,24 x 15,24 centiméter. A HRSI-nek két sűrűségi változatát használják, az orrnál sűrűbb (22 font per köbláb, vagyis mintegy 352 kg per köbméter), a többi részen "normál" sűrűségű (ez 9 font per köbláb, vagyis mintegy 96 kg per köbméter). A HRSI téglákat szilikát bázisú ragasztóval rögzítik a nomex-el bevont géptestre, kézi munkával.

FRCI - Fibrous Refractory Composite Insulation Tiles ~ Rostos Hőálló Kompozit Szigetelő Téglák: Utólagosan kifejlesztett hővédő téglák, amely 20%-ban aluminium-boron-szilikát szálakat tartalmaz, amely keményebb (mintegy háromszor nagyobb a szakítószilárdsága, mint a HRSI-nek), strapabíróbb, nagyobb a hőtűrése mintegy 100 Celsius fokkal és ugyanakkor könnyebb, (12 font per köbláb, tehát hozzávetőleg 192 kg per köbméter) mint a HRSI-22 téglák, így azokat (de csak azokat) FRCI-re cserélték le.


Az Endevour szemből. A kabin közepénél HRSI téglák, mellettük és hátul az OMS gondolákon LRSI téglák, a kabin előtt pedig AFRSI takarók - klikk a nagyobb képért
LRSI - Low-Temperature Reusable Surface Insulation Tiles ~ Alacsony Hőmérsékletű Újrahasználható Külső Szigetelő Téglák: Gyakorlatilag megegyezik a HRSI-9-el (vagyis a "normál" sűrűségű HRSI téglákkal), mindössze nagyobb felületet fednek le. Mntegy 20 x 20 centiméteresek, viszont vékonyabbak (0,5-től 3,5 centiméteres vastagságúak). A külső felületükre ekete helyett fehér színű aluminium-oxid-alapú felületkezelés került, amely a nap sugarait jó aránnyal visszaveri, így kevésbé hevül fel a világűrben.

AFRSI - Advanced Flexible Reusable Surface Insulation Blankets ~ Rugalmas Újrahasználható Külső Szigetelő Takarók Amikor elkészült a Columbia, a NASA-nak és a Rockwell-nek sok fejfájást okozott az, hogy az űrrepülőgép túl nehéz, a hővédő téglák pedig túlságosan is karbantartásigényesek. A problémákra az egyik megoldás az lett, hogy az LRSI, vagyis a fehér hővédő téglák döntő többségét kiváltották egy szilikát és üvegszálakból gyártott paplannal, amit kerámia és szilikát bázisú bevonattal láttak el, majd szilikát bázisú ragasztóval rögzítették őket. Ezek a paplanok nem csak könnyebbek, mint a hővédő téglák, de a karbantartásigényük is minimális, ezért később a Columbiát is átalkították az LRSI-ről ALRSI-re.

FRSI - Felt Reusable Surface Insulation Blankets ~ Filc Újrahasználható Külső Szigetelő Takarók: A hőterhelésnek legkevésbé kitett helyeken, a raktérajtók külső borításaként, illetve az űrsikló felső részein használják ezeket a Nomex takarókat, amelyeket fehér szilikon bázisú festékkel kezelnek, és szilikát bázisú ragasztóval rögzítik őket.

A hővédő téglák mindegyikén egy sárga színű, hővédő festékkel felfestett azonosító kód található, amely alapján megállapítható, hogy pontosan hol is helyezkedik el az űrsiklón. A festékben nem okoz kárt a több, mint 1500 fokos hőség sem, így nem kell amiatt aggódni, hogy az azonosítás később problémákba ütközhet.


Egy HRSI tégla, rajta az azonosító kódok
Az űrsikló hővédő pajzsa igazság szerint egy roppant innovatív ötlet kevéssé sikeres megvalósulásának példája. A szilikát bázisú hővédő pajzs nagyszerűen bizonyított, összeségében könnyű és hatékony hővédelmet biztosítva az űrsiklónak. Viszont az elvárások között nem csak ez szerepelt, hanem a tartósság, a karbantartás szempontjából az igénytelenség és általában az, hogy olcsó megoldást nyújtson. Ezeket a hővédő pajzs finoman szólva nem tudta megvalósítani.

Először is a téglák meglehetősen törékenynek bizonyultak, a Columbia szomorú tragédiája pedig bebizonyította, hogy az RCC panelek is sérülékenyek. Az FRSI téglák bevezetése ezen javított valamelyest, de csak egy részen lehetett használni őket, mivel a HRSI-9 tégláknál nagyobb tömegük miatt azok helyett csak úgy lehetne használni őket, ha felvállalják a plusz terhet. Ez pedig az amúgy is túlsúlyos űrsikló esetében nem igazán merülhetett fel.


Egy jókora rész javítása folyamatban, érdemes megfigyelni, hogy minden kézzel történik... - klikk a nagyobb képért
A másik komoly probléma a ragasztókhoz, illetve a ragasztás hatékonyságához fűződik. Egyszerűen a NASA, illetve a megbízott alvállakozók minden igyekezete ellenére sem tudták megoldani a valóban biztos és tartós rögzítést. Minden űrrepülés alkalmával el-elhagyott az űrsikló néhány - olykor több tucat, párszor pedig száznál is több - téglát. Ezek jó része a légnyomástól vagy a rázkódástól eshetett le, nem pedig olyan külső behatástól, mint például a külső üzemanyagtartályról lehulló hőszigetelőhab-darabkák becsapódásai.

A felhelyezés kész tortúrának minősült, mivel a szilikát bázisú ragasztó nagyon gyorsan megkötött, így egy előre kikevert ragasztó alig pár perc után annyira összetapadt, hogy már nem lehetett felhasználni. Az élelmes karbantartók improvizáltak: beleköptek a ragasztóba, amely így valamivel lassabban kötött meg, így egy kikevert adag a szokásos egy-két tégla helyett három-négy tégla felhelyezéséhez is felhasználható volt. Apró probléma, hogy ettől természetesen a ragasztó hatékonysága, vagyis a felhelyezett tégla rögzítése csorbát szenvedett. Mikor egy belső vizsgálatnál erre az "eljárásra" fény derült, a NASA azonnali hatállyal megtiltotta a ragasztóba köpködést - ám minderre csak majdnem egy évtizednyi gyakorlati alkalmazás után került sor!


Az STS-27 visszatérése. Érdemes megnézni az orr és a szárny részén a fekete HRSI téglákat, jól láthatóak a fehér foltok, ahol megsérültek - klikk a nagyobb képért
A hővédő szilikát téglák másik rossz szokása, hogy az anyag térfogatának gyakorlatilag mintegy 90%-a "üres", csak a maradék 10% maga szilikát, ezért a nedvességet magába szívja. Ez pedig a világűr dermesztő hidegében hajlamos megfagyni, ezáltal pedig megrongálni a téglát, ahogy az az első űrrepüléssek során kiderült. Megoldásként azt találták ki, hogy a téglákat vízzáró anyaggal töltik fel. Ezt a műveletet minden egyes repülés után, kézzel hajtják végre, minden egyes tégla esetében,, ami meglehetősen munkaigényes megoldás. Az AFRSI takarók szintén hasonló módon vannak vízállóvá téve, mivel szintén hajlamos a vizet magába szívni.


Az STS-27 leszállása után vizsgálják a sérült hővédő téglákat
A végső konklúzió meglehetősen keserves képet fest. Az űrsiklónak eredetileg a leszállás után mindössze 160 órával már újra az indítóálláson, indulásra készen kellett volna állnia, azonban csak a hővédő pajzs önmagában iszonyatos mennyiségű munkát adott minden egyes repülés után. Egy átlagos űrrepülésnél olyan 17 000 munkaórába telt az átellenőrzése, a hiányzó vagy sérült téglák pótlása és a vízállóság biztosítása - mindez végig kézi munkával. Az STS-27 útján - amely a második volt a Challenger katasztrófája után - a jobb oldali szilárd hajtóanyagú gyorsítórakéta leváló burkolata felszálláskor megrongálta a hővédő pajzsot. A leszállás után derült ki, hogy összesen mintegy 700 tégla sérült meg, illetve egy teljesen elveszett, és nem sokon múlt a katasztrófa akkor sem.

Az egyetlen másik űrhajó, amely szilikáttéglákkal oldotta meg a hővédelmet a szovjet Buran űrrepülőgép volt, amely hasonló problémáktól szenvedett. Amikor a NASA az 1990-es években az űrsikló utódját kereste, és a Venture Star programon dologozott a Lockheed-Martin céggel, az egyik első döntés az volt, hogy az űrsikló programnál anno felmerült két opció közül a másikat, a "heat sink" típusú, fémes alapú, hőelvezetésen alapuló hővédelmet választják. Amikor pedig a Venture Star sűllyesztőbe került, helyette pedig az Apollo-utánérzésű Orion került elő, akkor a Mercury - Gemini - Apollo féle (ám annál modernebb anyagokkal dolgozó) elégő hőpajzs mellett döntöttek.