نظام الحماية الحرارية لمكوك الفضاء

التقط مرصد كويبر المحمول جواً صورة بالأشعة تحت الحمراء للجزء السفلي من مركبة كولومبيا الفضائية أثناء دخول مكوك الفضاء STS-3 الغلاف الجوي لدراسة درجات الحرارة. كان المكوك على ارتفاع 56 كيلومتراً (184,000 قدم) ويتحرك بسرعة 15.6 ماخ. 
مكوك الفضاء ديسكفري أثناء اقترابه من محطة الفضاء الدولية خلال مهمة STS-114 في 28 يوليو 2005.

كان نظام الحماية الحرارية لمكوك الفضاء بمثابة الحاجز الذي يحمي المركبة المدارية أثناء دخولها الغلاف الجوي في درجات حرارة شديدة تصل إلى 1650 درجة مئوية (3000 درجة فهرنهايت ) . وكان من أهدافه الثانوية حمايتها من حرارة وبرودة الفضاء أثناء وجودها في المدار. [ 1 ]  

مواد

نظام الحماية الحرارية للمركبة المدارية 103 والمركبات المدارية اللاحقة
إنديفور في متحف مركز العلوم بكاليفورنيا، يعرض البلاط بالقرب من الباب

غطى نظام الحماية الحرارية سطح المركبة المدارية بالكامل تقريبًا، ويتكون من سبعة مواد مختلفة في مواقع متفاوتة بناءً على كمية الحماية الحرارية المطلوبة:

  • ألياف الكربون المقواة (RCC)، المستخدمة في غطاء مقدمة الطائرة، والمنطقة السفلية بين غطاء المقدمة وأبواب جهاز الهبوط الأمامي، والجزء الأمامي المدبب خلف باب جهاز الهبوط الأمامي، والحواف الأمامية للجناح. تُستخدم هذه الألياف عندما تتجاوز درجة حرارة إعادة الدخول 1260 درجة مئوية (2300 درجة فهرنهايت) .  
  • بلاطات عازلة للأسطح قابلة لإعادة الاستخدام ومقاومة لدرجات الحرارة العالية (HRSI)، تُستخدم على الجانب السفلي للمركبة المدارية. مصنوعة من سيراميك السيليكا LI-900 المطلي . تُستخدم في الأماكن التي كانت فيها درجة حرارة العودة إلى الغلاف الجوي أقل من 1260  درجة مئوية.
  • بلاطات العزل المركبة المقاومة للحرارة الليفية (FRCI)، تُستخدم لتحسين القوة والمتانة ومقاومة تشقق الطلاء وتقليل الوزن. وقد تم استبدال بعض بلاطات العزل الحراري عالي المقاومة (HRSI) بهذا النوع.
  • بطانيات العزل المرنة (FIB)، وهي عبارة عن عازل سطحي مرن يشبه البطانية ومبطن. تُستخدم عندما تكون درجة حرارة إعادة الدخول أقل من 649 درجة مئوية (1200 درجة فهرنهايت) .  
  • بلاطات العزل السطحي القابلة لإعادة الاستخدام في درجات الحرارة المنخفضة (LRSI)، والتي كانت تُستخدم سابقًا على الجزء العلوي من جسم الطائرة، ولكن تم استبدالها في الغالب ببلاطات العزل الحراري المرن (FIB). تُستخدم في نطاقات درجات حرارة مماثلة تقريبًا لتلك المستخدمة في بلاطات العزل الحراري المرن (FIB).
  • بلاط العزل الليفي المقوى أحادي القطعة (TUFI)، وهو بلاط أقوى وأكثر صلابة دخل حيز الاستخدام في عام 1996. يستخدم في المناطق ذات درجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة.
  • عازل سطحي قابل لإعادة الاستخدام مصنوع من اللباد (FRSI). بطانيات من لباد نومكس الأبيض على أبواب حجرة الحمولة العلوية، وأجزاء من منتصف جسم الطائرة وجوانبه الخلفية، وأجزاء من سطح الجناح العلوي، وجزء من حاويات نظام إدارة الحركة/نظام التحكم في رد الفعل . يُستخدم في الأماكن التي تبقى فيها درجات الحرارة أقل من 371 درجة مئوية (700 درجة فهرنهايت) .  

كان لكل نوع من أنواع أنظمة الحماية الحرارية خصائص محددة للحماية من الحرارة ومقاومة الصدمات والوزن، مما حدد المواقع التي تم استخدامها فيها والكمية المستخدمة.

كان لنظام الحماية الحرارية للمكوك الفضائي ثلاث خصائص رئيسية تميزه عن أنظمة الحماية الحرارية المستخدمة في المركبات الفضائية السابقة:

قابلة لإعادة الاستخدام
كانت المركبات الفضائية السابقة تستخدم عمومًا دروعًا حرارية قابلة للاحتراق ، والتي كانت تحترق أثناء دخول الغلاف الجوي، وبالتالي لا يمكن إعادة استخدامها. كان هذا العزل قويًا وموثوقًا، وكانت طبيعته أحادية الاستخدام مناسبة لمركبة مصممة للاستخدام لمرة واحدة. على النقيض من ذلك، تطلب المكوك الفضائي القابل لإعادة الاستخدام نظام حماية حرارية قابلًا لإعادة الاستخدام.
خفيف الوزن
كانت الدروع الحرارية السابقة شديدة الثقل. فعلى سبيل المثال، شكّل الدرع الحراري في وحدة قيادة أبولو حوالي 15% من وزن المركبة. ولأن المكوك المجنح كان يتمتع بمساحة سطح أكبر بكثير من المركبات الفضائية السابقة، كان من الضروري وجود نظام حماية حراري خفيف الوزن.
قابل للكسر
كانت التقنية الوحيدة المعروفة في أوائل السبعينيات والتي تتمتع بالخصائص الحرارية والوزنية المطلوبة هشة للغاية، بسبب كثافتها المنخفضة جدًا، لدرجة أنه يمكن للمرء أن يسحق بلاطة TPS بسهولة باليد.

غاية

تتم حماية الأسطح السفلية لجناحي طائرة ديسكفري بواسطة آلاف من بلاطات العزل الحراري القابلة لإعادة الاستخدام.

لم يكن هيكل المركبة المدارية المصنوع من الألومنيوم قادراً على تحمل درجات حرارة تتجاوز 175 درجة مئوية (347 درجة فهرنهايت) دون حدوث انهيار هيكلي. [ 2 ] وكان التسخين الديناميكي الهوائي أثناء العودة إلى الغلاف الجوي سيرفع درجة الحرارة إلى مستويات أعلى بكثير من هذا المستوى في بعض المناطق، لذا كان من الضروري استخدام عازل فعال.  

التدفئة عند إعادة الدخول

صورة مقرّبة للبلاطات أسفل مقدمة جسم الطائرة والطرف الأمامي للجناح الأيسر. يمكن رؤية زاوية باب عجلة الهبوط الأمامية في أسفل اليسار. البلاطات السوداء الداكنة الصلبة جديدة ولم تدخل الغلاف الجوي بعد. (في الأعلى، الجسم الأبيض هو باب حجرة الشحن اليسرى المفتوح).

يختلف التسخين الناتج عن دخول الغلاف الجوي عن التسخين الجوي المعتاد المصاحب للطائرات النفاثة، وهذا ما حدد تصميم وخصائص نظام الحماية الحرارية. قد يسخن سطح الطائرات النفاثة عالية السرعة أيضًا، ولكن هذا التسخين ناتج عن الاحتكاك بالغلاف الجوي ، تمامًا كما يحدث عند تدفئة اليدين بفركهما. دخلت المركبة المدارية الغلاف الجوي كجسم غير انسيابي بزاوية هجوم عالية جدًا (40 درجة) ، مع توجيه سطحها السفلي العريض نحو اتجاه الطيران. أكثر من 80% من التسخين الذي تتعرض له المركبة المدارية أثناء دخولها الغلاف الجوي ناتج عن انضغاط الهواء أمامها، وفقًا للعلاقة الديناميكية الحرارية الأساسية بين الضغط ودرجة الحرارة . تشكلت موجة صدمية ساخنة أمام المركبة، مما أدى إلى انحراف معظم الحرارة ومنع سطحها من ملامسة ذروة الحرارة مباشرةً. لذلك، كان التسخين الناتج عن دخول الغلاف الجوي في معظمه عبارة عن انتقال حراري بالحمل بين الموجة الصدمية وسطح المركبة المدارية عبر البلازما فائقة التسخين . [ 1 ] يكمن مفتاح الدرع القابل لإعادة الاستخدام ضد هذا النوع من التسخين في مادة منخفضة الكثافة للغاية، على غرار الطريقة التي تمنع بها زجاجة الترمس انتقال الحرارة بالحمل الحراري.

تستطيع بعض سبائك المعادن المقاومة للحرارة العالية تحمل حرارة العودة إلى الغلاف الجوي؛ إذ تسخن ببساطة وتعيد إشعاع الحرارة الممتصة. هذه التقنية، المسماة بالحماية الحرارية باستخدام مشتتات الحرارة ، كانت مُخططًا لها لمركبة الفضاء المجنحة X-20 Dyna-Soar . [ 1 ] مع ذلك، فإن كمية المعدن المقاوم للحرارة العالية اللازمة لحماية مركبة كبيرة مثل مكوك الفضاء كانت ستكون ثقيلة جدًا، مما سيؤثر سلبًا على أداء المركبة. وبالمثل، فإن نظام الحماية الحرارية القابل للاحتراق سيكون ثقيلًا، وقد يُخل بديناميكية المركبة الهوائية أثناء احتراقه خلال العودة إلى الغلاف الجوي، كما سيتطلب صيانة دورية مكثفة لإعادة تركيبه بعد كل مهمة. لسوء الحظ، فإن بلاطات نظام الحماية الحرارية، التي صُممت في الأصل بحيث لا تتعرض لضربات الحطام أثناء الإطلاق، كانت في الواقع تحتاج أيضًا إلى فحص دقيق وإصلاح بعد كل هبوط، نظرًا للأضرار التي قد تحدث أثناء الصعود، حتى قبل وضع سياسات جديدة للفحص في المدار عقب كارثة مكوك الفضاء كولومبيا . ومع ذلك، ظل معدل الاستبدال المتوسط ​​منخفضًا، فعلى سبيل المثال، كان لدى جهاز ديسكفري حوالي 18000 من أصل 24000 بلاطة أصلية في نهاية مسيرته. [ 3 ]

وصف تفصيلي

بلاط السيليكا من أتلانتس

كان نظام الحماية الحرارية (TPS) نظامًا متعدد الأنواع، لا يقتصر على بلاطات السيليكا فقط. وينقسم إلى فئتين أساسيتين: أنظمة الحماية الحرارية القائمة على البلاطات، وأنظمة الحماية الحرارية غير القائمة على البلاطات. [ 1 ] اعتمد معيار الاختيار الرئيسي على أخف أنواع الحماية وزنًا والقادرة على تحمل الحرارة في منطقة محددة. مع ذلك، في بعض الحالات، استُخدم نوع أثقل وزنًا إذا دعت الحاجة إلى مقاومة إضافية للصدمات. وقد اعتُمدت أغطية الألياف الأيونية المركزة (FIB) في المقام الأول لتقليل الصيانة، وليس لأسباب حرارية أو متعلقة بالوزن.

كان جزء كبير من المكوك مغطى ببلاطات السيليكا LI-900 ، المصنوعة أساسًا من رمل الكوارتز النقي جدًا. [ 1 ] وقد منع هذا العزل انتقال الحرارة إلى الغلاف والهيكل المصنوعين من الألومنيوم الموجودين أسفل المكوك . كانت هذه البلاطات موصلات حرارية رديئة للغاية لدرجة أنه كان بالإمكان الإمساك بها من حوافها وهي لا تزال متوهجة. [ 4 ] وُجد حوالي 24300 بلاطة فريدة مُركّبة بشكل فردي على المركبة، [ 5 ] ولذلك أُطلق على المكوك اسم "مصنع الطوب الطائر". [ 6 ] [ 7 ] يُجري باحثون في جامعة مينيسوتا وجامعة ولاية بنسلفانيا عمليات محاكاة ذرية للحصول على وصف دقيق للتفاعلات بين الأكسجين الذري والجزيئي مع أسطح السيليكا، وذلك لتطوير أنظمة حماية أفضل من الأكسدة في درجات الحرارة العالية للحواف الأمامية للمركبات فائقة السرعة. [ 8 ]

لم تُثبّت البلاطات ميكانيكيًا بالمركبة، بل لُصقت بالغراء. اختير هذا الحل لتجنب انتقال الحرارة عبر نقاط التثبيت، وحماية البلاطات من التآكل الميكانيكي. ولأن البلاطات الهشة لم تكن قادرة على الانثناء مع هيكل المركبة، لُصقت بوسادات عزل الإجهاد المصنوعة من لباد نومكس (SIPs) باستخدام لاصق سيليكوني مُعالَج في درجة حرارة الغرفة (RTV)، والذي لُصق بدوره بهيكل المركبة المدارية. عزلت هذه الوسادات البلاطات عن انحرافات وتمددات هيكل المركبة المدارية. [ 1 ] تطلّب لصق جميع البلاطات البالغ عددها 24300 بلاطة ما يقارب عامين من العمل لتصنيع الدرع الحراري بالكامل، ويعود ذلك جزئيًا إلى سرعة جفاف اللاصق، والحاجة إلى إنتاج دفعات جديدة بعد كل بلاطتين. كان من الشائع حتى عام 1988 استخدام حل مؤقت يتمثل في بصق الفنيين على اللاصق لإبطاء عملية الجفاف، إلى أن كشفت دراسة لمخاطر البلاطات أن البصق يُضعف قوة التصاق اللاصق. [ ٩ ] بقيت معظم البلاطات مثبتة على المركبة بين الرحلات، ولكن كان لا بد من إزالة عدد قليل منها أحيانًا. بدأت عملية المعالجة بين الرحلات بفحص كل بلاطة بحثًا عن أي تلف. بعد ذلك، تم استبدال البلاطات التالفة أو المفقودة، والتحقق من تماسكها، وإضافة مواد حشو الفراغات إذا لزم الأمر للحفاظ على سطح متصل. [ ١٠ ]

أنواع البلاط

عزل الأسطح القابل لإعادة الاستخدام في درجات الحرارة العالية (HRSI)

بلاطة HRSI. لاحظ العلامات الصفراء التي تشير إلى موقعها الدقيق على المركبة المدارية.

وفرت بلاطات HRSI السوداء حمايةً ضد درجات حرارة تصل إلى 1260 درجة مئوية (2300 درجة فهرنهايت) . بلغ عدد بلاطات HRSI 20548 بلاطة، غطت أبواب معدات الهبوط، وأبواب وصلات خزان الوقود الخارجي ، وبقية الأسطح السفلية للمركبة المدارية. كما استُخدمت في مناطق من الجزء الأمامي العلوي لجسم المركبة، وأجزاء من حاويات نظام المناورة المدارية ، والحافة الأمامية للمثبت الرأسي، والحواف الخلفية للجنيحات ، وسطح رفرف الجزء العلوي. وتراوحت سماكتها بين 2.5 و12.7 سم (1 إلى 5 بوصات ) ، تبعًا للحمل الحراري الذي تتعرض له أثناء العودة إلى الغلاف الجوي. باستثناء مناطق الإغلاق، كانت هذه البلاطات عادةً مربعة الشكل ، أبعادها 15 × 15 سم (6 × 6 بوصات ) . وتتكون بلاطة HRSI من ألياف السيليكا عالية النقاء. كان 90% من حجم البلاطة فراغًا، مما أعطاها كثافة منخفضة جدًا ( 9 رطل/ قدم مكعب أو 140 كجم/م³ ) ، ما جعلها خفيفة بما يكفي لرحلات الفضاء. [ 1 ] كانت البلاطات غير المطلية بيضاء ناصعة المظهر، وبدت أقرب إلى السيراميك الصلب منها إلى المادة الرغوية التي كانت عليها.       

كانت الطبقة السوداء على البلاطات عبارة عن زجاج معالج بالتفاعل (RCG)، والذي يُعدّ سيليسيد رباعي البورون وزجاج البوروسيليكات من بين مكوناته العديدة. [ 11 ] طُبّق زجاج RCG على جميع جوانب البلاطة باستثناء جانب واحد لحماية السيليكا المسامية وزيادة خصائص تبديد الحرارة. كانت الطبقة غائبة عن هامش صغير من الجوانب المجاورة للجانب غير المطلي (الجانب السفلي). ولعزل البلاطة ضد الماء، حُقن ثنائي ميثيل إيثوكسي سيلان في البلاطات بواسطة محقنة. كما ساعد تكثيف البلاطة باستخدام رباعي إيثيل أورثوسيليكات (TEOS) على حماية السيليكا وإضافة طبقة عازلة للماء.

رسم تخطيطي لبلاطة HRSI.
رسم تخطيطي لبلاطة HRSI.

عند مسك بلاطة HRSI غير المطلية باليد، يبدو ملمسها كرغوة خفيفة جدًا، أقل كثافة من الستايروفوم ، ويجب التعامل مع هذه المادة الرقيقة والهشة بحذر شديد لتجنب تلفها. أما الطلاء، فيبدو كغلاف رقيق وصلب يغلف السيراميك العازل الأبيض ليمنع هشاشته، باستثناء الجانب غير المطلي. حتى البلاطة المطلية تبدو خفيفة جدًا، أخف من كتلة من الستايروفوم بنفس الحجم. وكما هو متوقع من السيليكا، فهي عديمة الرائحة وخاملة.

صُممت مركبة HRSI في الأساس لتحمل الانتقال من مناطق ذات درجات حرارة منخفضة للغاية (فراغ الفضاء، حوالي -270 درجة مئوية أو -454 درجة فهرنهايت ) إلى درجات الحرارة العالية لإعادة الدخول (الناتجة عن التفاعل، وخاصة الضغط عند الصدمة فوق الصوتية، بين غازات الغلاف الجوي العلوي وهيكل مكوك الفضاء، وعادة ما تكون حوالي 1600 درجة مئوية أو 2910 درجة فهرنهايت ). [ 1 ]    

بلاطات العزل المركبة المقاومة للحرارة الليفية (FRCI)

وفرت بلاطات FRCI السوداء متانة محسّنة، ومقاومة لتشقق الطلاء، وتقليلًا في الوزن. وقد تم استبدال بعض بلاطات HRSI بهذا النوع. [ 1 ]

عازل ليفي مقوى من قطعة واحدة (TUFI)

بلاطة أقوى وأكثر متانة دخلت حيز الاستخدام عام ١٩٩٦. توفرت بلاطات TUFI بنسخ سوداء تتحمل درجات الحرارة العالية للاستخدام في الجزء السفلي من المركبة الفضائية، ونسخ بيضاء تتحمل درجات الحرارة المنخفضة للاستخدام في الجزء العلوي. ورغم مقاومتها للصدمات أكثر من البلاطات الأخرى، إلا أن النسخ البيضاء كانت موصلة للحرارة بشكل أكبر، مما حدّ من استخدامها في غطاء الجزء العلوي من المركبة ومنطقة المحرك الرئيسي. أما النسخ السوداء، فكانت تتمتع بعزل حراري كافٍ للجزء السفلي من المركبة، ولكنها كانت أثقل وزنًا. هذه العوامل حدّت من استخدامها في مناطق محددة. [ ١ ]

عزل الأسطح القابل لإعادة الاستخدام في درجات الحرارة المنخفضة (LRSI)

كانت هذه البلاطات بيضاء اللون، وتغطي الجزء العلوي من الجناح بالقرب من الحافة الأمامية. كما استُخدمت في مناطق مختارة من مقدمة ووسط ومؤخرة جسم المركبة، والذيل العمودي، وحاويات نظام المناورة المدارية/نظام التحكم في رد الفعل. وفرت هذه البلاطات حماية للمناطق التي تقل فيها درجات حرارة إعادة الدخول عن 649 درجة مئوية (1200 درجة فهرنهايت) . صُنعت بلاطات نظام التحكم في درجة الحرارة منخفض الإشعاع بنفس طريقة تصنيع بلاطات نظام التحكم في درجة الحرارة عالي الإشعاع، باستثناء أن البلاطات كانت مربعة الشكل بأبعاد 20 × 20 سم (8 × 8 بوصات ) ومطلية بطبقة بيضاء من مادة RCG مصنوعة من مركبات السيليكا مع أكسيد الألومنيوم اللامع. [ 1 ] كان اللون الأبيض مقصودًا، وساعد في التحكم في الحرارة في المدار عندما تتعرض المركبة لأشعة الشمس المباشرة.   

كانت هذه البلاطات قابلة لإعادة الاستخدام لما يصل إلى 100 مهمة مع عمليات التجديد (وهي أيضًا العمر الافتراضي المُصمم لكل مركبة مدارية). خضعت البلاطات لفحص دقيق في منشأة معالجة المركبات المدارية بعد كل مهمة، وتم استبدال البلاطات التالفة أو البالية فورًا قبل المهمة التالية. كما تم إدخال صفائح قماشية تُعرف باسم حشوات الفجوات بين البلاطات عند الضرورة. سمحت هذه الحشوات بتركيب البلاطات بإحكام، مما منع تسرب البلازما الزائدة بينها، مع السماح في الوقت نفسه بالتمدد الحراري وانثناء غلاف المركبة الأساسي.

قبل إدخال أغطية الحماية من التسربات الحرارية، كانت بلاطات نظام تحديد المواقع بعيد المدى (LRSI) تشغل جميع المناطق التي تغطيها الأغطية حاليًا، بما في ذلك الجزء العلوي من جسم الطائرة والسطح الكامل لحاويات نظام المناورة المدارية (OMS). وقد استُخدم هذا التكوين لنظام الحماية من التسربات الحرارية فقط في حاملتي الطائرات كولومبيا وتشالنجر .

نظام حماية حراري غير مُبلّط

بطانيات عازلة مرنة/عزل مرن متطور قابل لإعادة الاستخدام (FIB/AFRSI)

طُوِّرت هذه المادة بعد تسليم مكوك الفضاء كولومبيا ، واستُخدمت لأول مرة في وحدات نظام إدارة العمليات (OMS) لمكوك الفضاء تشالنجر . [ 12 ] تميزت هذه المادة البيضاء المصنوعة من ألياف السيليكا منخفضة الكثافة بمظهر يشبه اللحاف، وحلت محل الغالبية العظمى من بلاطات نظام العزل الحراري منخفض الكثافة (LRSI). تطلبت هذه المادة صيانة أقل بكثير من بلاطات LRSI، ومع ذلك حافظت على نفس الخصائص الحرارية تقريبًا. بعد استخدامها المحدود على متن تشالنجر ، ازداد استخدامها بشكل كبير بدءًا من مكوك الفضاء ديسكفري ، وحلت محل العديد من بلاطات LRSI على متن كولومبيا بعد غرق تشالنجر .

الخرسانة المسلحة بالكربون (RCC)

حمت المادة الرمادية الفاتحة، التي تتحمل درجات حرارة الدخول إلى الغلاف الجوي حتى 1510 درجة مئوية (2750 درجة فهرنهايت)، الحواف الأمامية للجناح وغطاء المقدمة. احتوى كل جناح من أجنحة المركبة المدارية على 22 لوحة من الخرسانة المسلحة بالألياف الزجاجية، بسمك يتراوح بين 6.4 و 12.7 ملم (ربع إلى نصف بوصة ) . سمحت وصلات على شكل حرف T بين كل لوحة بالتمدد الحراري والحركة الجانبية بين هذه اللوحات والجناح.   

كانت مادة RCC عبارة عن مادة مركبة مُرقّقة مصنوعة من ألياف الكربون المشبعة براتنج فينولي . بعد معالجتها في درجة حرارة عالية في جهاز التعقيم بالبخار، خضعت الطبقة المُرقّقة لعملية التحلل الحراري لتحويل الراتنج إلى كربون نقي. ثم تم تشريبها بكحول فورفورال في غرفة مفرغة من الهواء، ثم معالجتها وتحللها حراريًا مرة أخرى لتحويل كحول الفورفورال إلى كربون. تكررت هذه العملية ثلاث مرات حتى تم الحصول على خصائص الكربون المطلوبة.

لتعزيز مقاومة الأكسدة لضمان إمكانية إعادة الاستخدام، طُليت الطبقات الخارجية من الخرسانة المسلحة بالألياف الكربونية (RCC) بكربيد السيليكون. حمى طلاء كربيد السيليكون ألياف الكربون من الأكسدة. تميزت الخرسانة المسلحة بالألياف الكربونية بمقاومة عالية لأحمال الإجهاد التي تتعرض لها أثناء الصعود والدخول. كانت أقوى من البلاطات، واستُخدمت أيضًا حول قاعدة نقطة التثبيت الأمامية للمركبة المدارية بالخزان الخارجي لتحمل أحمال الصدمات الناتجة عن انفجار البراغي المتفجرة. كانت الخرسانة المسلحة بالألياف الكربونية المادة الوحيدة في نظام الحماية الحرارية (TPS) التي عملت أيضًا كدعامة هيكلية لجزء من الشكل الديناميكي الهوائي للمركبة المدارية: الحواف الأمامية للجناح وغطاء المقدمة. رُكبت جميع مكونات نظام الحماية الحرارية الأخرى (البلاطات والبطانيات) على مواد هيكلية تدعمها، وتحديدًا الإطار المصنوع من الألومنيوم وهيكل المركبة المدارية.

عازل سطحي قابل لإعادة الاستخدام من اللباد نومكس (FRSI)

وفر هذا النسيج الأبيض المرن حماية تصل إلى 371 درجة مئوية (700 درجة فهرنهايت) . غطى FRSI أسطح الجناح العلوي للمركبة المدارية، وأبواب حجرة الحمولة العلوية، وأجزاء من حاويات نظام المناورة المدارية/نظام التحكم في رد الفعل، والجزء الخلفي من جسم المركبة.  

حشوات الفراغات

وُضعت مواد مانعة للتسرب عند الأبواب والأسطح المتحركة لتقليل التسخين عن طريق منع تكوّن الدوامات. وقد خلّفت الأبواب والأسطح المتحركة فجوات مفتوحة في نظام الحماية الحرارية، ما استدعى حمايتها من الحرارة. بعض هذه الفجوات كان آمناً، ولكن في بعض المناطق على الدرع الحراري، تسببت تدرجات ضغط السطح في تدفق عرضي للهواء في الطبقة الحدية داخل تلك الفجوات.

صُنعت مواد الحشو إما من ألياف AB312 بيضاء أو أغطية قماشية سوداء من AB312 (تحتوي على ألياف الألومينا). استُخدمت هذه المواد حول الحافة الأمامية لغطاء الأنف، والزجاج الأمامي، والفتحة الجانبية، والجناح، والحافة الخلفية للجنيحات، والمثبت الرأسي، والدفة/مكابح السرعة، وغطاء الجسم، والدرع الحراري للمحركات الرئيسية للمكوك.

خلال مهمة STS-114 ، انفصل جزء من هذه المادة وتبين أنه يشكل خطراً محتملاً على السلامة. كان من المحتمل أن يتسبب حشو الفراغات في اضطراب تدفق الهواء أسفل جسم المركبة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة بشكل كبير، وقد يتسبب ذلك في تلف المركبة المدارية. تمت إزالة القماش أثناء سير رائد فضاء في الفضاء خلال المهمة.

اعتبارات الوزن

على الرغم من أن الكربون المقوى بالكربون يتمتع بأفضل خصائص الحماية الحرارية، إلا أنه كان أثقل بكثير من بلاط السيليكا والألياف الزجاجية المقواة بالألياف، لذا اقتصر استخدامه على مساحات صغيرة نسبيًا. وبشكل عام، كان الهدف هو استخدام أخف عازل حراري ممكن مع الحفاظ على مستوى الحماية الحرارية المطلوب. كثافة كل نوع من أنواع العزل الحراري:

مادةكثافة
( كجم/ م³ )(رطل/قدم مكعب )
الكربون المقوى1986124
بلاطات LI-220035222
بلاط عازل حراري مركب من الألياف19212
بلاطات LI-900 (أسود أو أبيض)1449
بطانيات عازلة مرنة1449

المساحة الإجمالية ووزن كل نوع من أنواع أنظمة الحماية الحرارية (المستخدمة في المركبة المدارية 102، قبل عام 1996):

نوع TPSلونالمساحة ( م² )الكثافة السطحية (كجم/ م² )الوزن (كجم)
عازل سطحي قابل لإعادة الاستخدام مصنوع من اللبادأبيض332.71.6532.1
عازل سطحي قابل لإعادة الاستخدام في درجات الحرارة المنخفضةأبيض مائل للبيج254.63.981014.2
عازل سطحي قابل لإعادة الاستخدام يتحمل درجات الحرارة العاليةأسود479.79.24412.6
الكربون المقوىرمادي فاتح38.044.71697.3
متنوع918.5
المجموعغير متوفر1105.0غير متوفر8574.4

مشاكل نظام معالجة الرسائل المبكرة

تطبيق البلاط ببطء

كولومبيا في منشأة معالجة المركبات المدارية بعد وصولها إلى مركز كينيدي للفضاء في 25 مارس 1979، وتظهر العديد من البلاطات المفقودة. كان لا يزال يتعين تركيب 7800 بلاطة من أصل 31000 بلاطة. [ 13 ]

كانت البلاطات تتساقط باستمرار، مما تسبب في تأخير كبير في إطلاق مهمة STS-1 ، أول مهمة مكوك فضائي، والتي كان من المقرر إطلاقها عام 1979، لكنها لم تُطلق إلا في أبريل 1981. لم تكن وكالة ناسا معتادة على التأخيرات الطويلة في برامجها، وكانت تحت ضغط كبير من الحكومة والجيش للإسراع في الإطلاق. في مارس 1979، نقلت ناسا مكوك كولومبيا غير المكتمل ، والذي كان ينقصه 7800 بلاطة من أصل 31000، من مصنع روكويل الدولي في بالمدايل، كاليفورنيا، إلى مركز كينيدي للفضاء في فلوريدا . إلى جانب إظهار التقدم في البرنامج، كانت ناسا تأمل في إمكانية الانتهاء من تركيب البلاطات أثناء تجهيز باقي أجزاء المكوك. لكن هذا كان خطأً؛ إذ لم يُعجب بعض عمال تركيب البلاطات في روكويل بفلوريدا، وسرعان ما عادوا إلى كاليفورنيا، كما أن منشأة معالجة المكوك لم تكن مصممة للتصنيع، وكانت صغيرة جدًا بالنسبة لعمالها البالغ عددهم 400 عامل. [ 14 ]

استُخدم في كل بلاطة نوع من الإسمنت استغرق 16 ساعة ليجف . بعد تثبيت البلاطة على الإسمنت، رُفعت بواسطة رافعة لتثبيتها في مكانها لمدة 16 ساعة أخرى. في مارس 1979، استغرق كل عامل 40 ساعة لتركيب بلاطة واحدة؛ وبفضل الاستعانة بطلاب جامعيين شباب أكفاء خلال فصل الصيف، تسارعت وتيرة العمل لتصل إلى 1.8 بلاطة لكل عامل أسبوعيًا. فشلت آلاف البلاطات في اختبارات التحمل ، ما استدعى استبدالها. بحلول الخريف، أدركت ناسا أن سرعة تركيب البلاطات ستحدد موعد الإطلاق. كانت البلاطات تُسبب مشاكل جمة لدرجة أن المسؤولين كانوا سيلجأون إلى أي طريقة أخرى للحماية الحرارية، لكن لم تكن هناك طريقة أخرى متاحة. [ 14 ]

ولأنه كان لا بد من نقلها بدون جميع البلاطات، فقد تم ملء الفجوات بمواد للحفاظ على الديناميكا الهوائية للمكوك أثناء النقل. [ 15 ]

مخاوف بشأن "تأثير السحاب"

كان نظام الحماية الحرارية للبلاطات مصدر قلق خلال تطوير المكوك الفضائي، لا سيما فيما يتعلق بموثوقية الالتصاق. فقد اعتقد بعض المهندسين بوجود خلل محتمل يتمثل في انفصال بلاطة واحدة، مما يؤدي إلى ضغط ديناميكي هوائي يُحدث تأثيرًا مشابهًا لتأثير السحاب، فيؤدي إلى انفصال البلاطات الأخرى. سواء أثناء الصعود أو العودة إلى الغلاف الجوي، ستكون النتيجة كارثية.

مخاوف بشأن اصطدام الحطام

تمثلت مشكلة أخرى في اصطدام الجليد أو غيره من الحطام بالبلاطات أثناء الصعود. لم تُحل هذه المشكلة حلاً كاملاً وشاملاً، إذ لم يُزال الحطام، وظلت البلاطات عرضة للتلف بسببه. تمثلت استراتيجية ناسا النهائية للتخفيف من هذه المشكلة في إجراء عمليات فحص وتقييم ومعالجة مكثفة لأي أضرار قد تحدث، أثناء وجود المركبة في المدار وقبل دخولها الغلاف الجوي، بالإضافة إلى فحصها على الأرض بين الرحلات.

خطط إصلاح البلاط المبكرة

كانت هذه المخاوف كبيرة لدرجة دفعت وكالة ناسا إلى بذل جهود كبيرة لتطوير مجموعة أدوات إصلاح البلاط للاستخدام في حالات الطوارئ، والتي كان بإمكان طاقم مهمة STS-1 استخدامها قبل الخروج من المدار. وبحلول ديسمبر 1979، اكتملت النماذج الأولية والإجراءات الأولية، والتي تضمنت في معظمها تزويد رواد الفضاء بمجموعة أدوات إصلاح خاصة في الفضاء وحقيبة نفاثة تُسمى وحدة المناورة المأهولة (MMU)، والتي طورتها شركة مارتن ماريتا.

كان من بين العناصر الأخرى منصة عمل قابلة للمناورة لتثبيت رائد فضاء يقوم بمهمة سير في الفضاء، مدفوعًا بوحدة مناولة المواد (MMU)، على البلاطات الهشة أسفل المركبة المدارية. اعتمد التصميم على أكواب لاصقة يتم التحكم بها كهربائيًا لتثبيت منصة العمل في مكانها على سطح البلاطات الأملس. قبل عام تقريبًا من إطلاق مهمة STS-1 عام 1981، قررت ناسا أن إمكانية الإصلاح لا تستحق المخاطرة والتدريب الإضافيين، فأوقفت تطويرها. [ 16 ] كانت هناك مشاكل عالقة في أدوات وتقنيات الإصلاح؛ كما أشارت اختبارات أخرى إلى أن البلاطات من غير المرجح أن تنفصل. شهدت أول مهمة مكوكية فقدان عدة بلاطات، لكنها كانت في مناطق غير حرجة، ولم يحدث أي "تأثير سحابي".

حادثة كولومبيا وتداعياتها

في الأول من فبراير/شباط عام 2003، تحطمت مكوك الفضاء كولومبيا أثناء دخوله الغلاف الجوي نتيجة عطل في نظام الحماية الحرارية. وخلص فريق التحقيق إلى أن السبب المحتمل للحادث هو أنه أثناء الإطلاق، اخترقت قطعة من الحطام الرغوي لوحة التحكم في الغلاف الجوي على الحافة الأمامية للجناح الأيسر، مما سمح للغازات الساخنة الناتجة عن دخول الغلاف الجوي بالدخول إلى الجناح وتفتيته من الداخل، الأمر الذي أدى في النهاية إلى فقدان السيطرة وتفكك المكوك.

خضع نظام الحماية الحرارية لمكوك الفضاء لعدد من الضوابط والتعديلات بعد الكارثة. وقد طُبقت هذه التعديلات على المكوك الثلاثة المتبقية، ديسكفري وأتلانتس وإنديفور، استعدادًا لإطلاق مهمات فضائية لاحقة.

في مهمة STS-114 عام 2005 ، التي قامت فيها ديسكفري بأول رحلة بعد حادثة كولومبيا ، اتخذت ناسا عدة خطوات للتحقق من سلامة نظام الحماية الحرارية (TPS). استُخدم نظام استشعار ذراع المكوك المداري ، الذي يبلغ طوله 15 مترًا (50 قدمًا) ، وهو امتداد جديد لنظام المناورة عن بُعد ، لإجراء تصوير ليزري لنظام الحماية الحرارية لفحصه بحثًا عن أي تلف. قبل الالتحام بمحطة الفضاء الدولية ، نفذت ديسكفري مناورة دوران الالتقاء ، وهي ببساطة دوران كامل بزاوية 360 درجة للخلف، مما سمح بتصوير جميع أجزاء المركبة من محطة الفضاء الدولية. كان هناك قطعتان لملء الفراغات بارزتان من أسفل المكوك المداري أكثر من المسافة المسموح بها، وقررت الوكالة بحذر أنه من الأفضل محاولة إزالة القطعتين أو قصهما بحيث يكون سطحهما مستويًا مع السطح بدلًا من المخاطرة بزيادة الحرارة التي قد تسببانها. على الرغم من أن بروز كل منهما كان أقل من 3 سم (1.2 بوصة) ، فقد كان يُعتقد أن تركهما قد يتسبب في زيادة الحرارة بنسبة 25% عند العودة إلى الغلاف الجوي.   

نظرًا لعدم وجود مقابض يدوية في الجانب السفلي للمركبة المدارية (إذ من شأنها أن تُسبب مشاكل أكبر بكثير في التسخين أثناء العودة إلى الغلاف الجوي مقارنةً بحشوات الفجوات البارزة التي كانت موضع قلق)، عمل رائد الفضاء ستيفن ك. روبنسون من الذراع الآلية لمحطة الفضاء الدولية، Canadarm2 . ولأن بلاطات نظام الحماية الحرارية كانت هشة للغاية، فقد كان هناك تخوف من أن أي شخص يعمل أسفل المركبة قد يُلحق بها ضررًا أكبر مما هو موجود بالفعل، لكن مسؤولي ناسا رأوا أن ترك حشوات الفجوات دون إزالة يُشكل خطرًا أكبر. وفي النهاية، تمكن روبنسون من سحب حشوات الفجوات يدويًا، ولم يُلحق أي ضرر بنظام الحماية الحرارية على متن ديسكفري .

تبرعات البلاط

اعتبارًا من عام 2010مع اقتراب موعد إيقاف برنامج مكوك الفضاء ، تبرعت وكالة ناسا ببلاطات TPS للمدارس والجامعات والمتاحف مقابل تكلفة الشحن فقط، أي 23.40 دولارًا أمريكيًا للبلاطة الواحدة. [ 17 ] توفر حوالي 7000 بلاطة وفقًا لأسبقية الطلب ، ولكن بواقع بلاطة واحدة لكل مؤسسة. [ 17 ]

انظر أيضاً

مراجع

  • "عندما تحلق مكوك الفضاء أخيرًا"، مقال بقلم ريك غور. ناشيونال جيوغرافيك (الصفحات  316-347، المجلد 159، العدد 3، مارس 1981). http://www.datamanos2.com/columbia/natgeomar81.html
  • دليل تشغيل مكوك الفضاء ، بقلم كيري مارك جويلز وجريج كينيدي (كتب بالانتين، 1982).
  • رحلات كولومبيا: أول سفينة فضائية حقيقية ، بقلم ريتشارد إس. لويس (مطبعة جامعة كولومبيا، 1984).
  • التسلسل الزمني لمكوك الفضاء ، بقلم جون إف. غيلمارتن وجون ماور (مركز جونسون للفضاء التابع لناسا، 1988).
  • مكوك الفضاء: تستمر المهمة ، بقلم جورج فوريس (إيان ألان، 1989).
  • ملخصات المعلومات: العد التنازلي! مركبات ومرافق الإطلاق التابعة لناسا ، (NASA PMS 018-B (KSC)، أكتوبر 1991).
  • مكوك الفضاء: تاريخ تطوير نظام النقل الفضائي الوطني ، بقلم دينيس جينكينز (شركة والزورث للنشر، 1996).
  • رحلات الفضاء البشرية الأمريكية: سجل الإنجازات، 1961-1998 . ناسا - دراسات في تاريخ الفضاء الجوي رقم 9، يوليو 1998.
  • نظام الحماية الحرارية لمكوك الفضاء، بقلم غاري ميلغروم. فبراير 2013. كتاب إلكتروني مجاني للتحميل من iTunes. https://books.apple.com/us/book/space-shuttle-thermal-protection/id591095660

ملحوظات

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 جينكينز، دينيس ر. (2007). مكوك الفضاء: تاريخ نظام النقل الفضائي الوطني . دار فويجر للنشر. 524 صفحة . ISBN  978-0-9633974-5-4.
  2. داي، دواين أ. "نظام الحماية الحرارية للمكوك الفضائي (TPS)" . لجنة الاحتفال بالذكرى المئوية للطيران بالولايات المتحدة. مؤرشف من الأصل في 26 أغسطس 2006.
  3. «أمين متحف سميثسونيان يتحدث عن مكوك الفضاء ديسكفري بعد 30 عامًا» . collectSPACE. 29 أغسطس 2014. تم الاطلاع عليه في 3 يناير 2025 .
  4. غور، ريك (مارس 1981). "عندما تحلق مكوك الفضاء أخيرًا" . ناشيونال جيوغرافيك . 159 (3): 316-347 . رمز Bibcode : 1981NaGe..159..316G . مؤرشف من الأصل في 28 سبتمبر 2011. تم الاسترجاع في 20 ديسمبر 2012 .
  5. "بلاطات مكوك الفضاء" (ملف PDF) . وكالة ناسا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 نوفمبر 2022 .
  6. أوفرباي، دينيس (4 يوليو 2011). "مع انتهاء عصر المكوك الفضائي، تبقى أحلام الفضاء عالقة" . صحيفة نيويورك تايمز .
  7. ""البطة القبيحة" في الفضاء علّمت المتشككين أن يؤمنوا" . صحيفة نيويورك تايمز . 17 نوفمبر 1982.
  8. أنانت د. كولكارني؛ دونالد ج. تروهلار؛ سريرام جوفيرابيت سرينيفاسان؛ أدري سي تي فان دوين؛ بول نورمان؛ توماس إي. شوارتزنتروبر (2013). "تفاعلات الأكسجين مع أسطح السيليكا: دراسة باستخدام التجميع العنقودي ونظرية الكثافة الوظيفية وتطوير جهد ReaxFF جديد". مجلة الكيمياء الفيزيائية ج . 117 : 258-269 . doi : 10.1021/jp3086649 .
  9. شتاين، روب؛ غوليوتّا، غاي (7 فبراير 2003). "بلاط المكوك الخزفي كان يعاني من أعطال سابقة" . صحيفة واشنطن بوست . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 سبتمبر 2021 .
  10. "(ملف PDF) إدارة المخاطر لبلاطات مكوك الفضاء" . ResearchGate . مؤرشف من الأصل بتاريخ 22-10-2022 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25-05-2026 .
  11. "صورة: عازل سطحي قابل لإعادة الاستخدام يتحمل درجات الحرارة العالية" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 نوفمبر 2022 .
  12. "معلومات صحفية عن مهمة STS-6" (ملف PDF) . روكويل الدولية - مجموعة أنظمة النقل الفضائي. مارس 1983. ص 7. تم الاطلاع عليه في 12 يوليو 2013. تم استبدال بلاطات العزل السطحي القابلة لإعادة الاستخدام ذات درجة الحرارة المنخفضة (LRSI) لنظام المناورة المدارية/نظام التحكم في رد الفعل بعزل سطحي مرن متطور قابل لإعادة الاستخدام (AFRSI) يتكون من بطانية من نسيج مركب مخيط ومبطن بنفس مادة بلاط السيليكا محصورة بين بطانية خارجية وداخلية. 
  13. "مكوك الفضاء كولومبيا: بداية جديدة ورؤية جديدة" . فبراير 2011.
  14. 1 2 لويس، ريتشارد س. (1984). رحلات كولومبيا: أول مركبة فضائية حقيقية . مطبعة جامعة كولومبيا. ص 83-91 . ISBN  0-231-05924-8.
  15. "ناسا - مرافق معالجة المركبات المدارية: مرائب مكوكية عالية التقنية" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 13 يونيو 2023. تم الاطلاع عليه بتاريخ 2 يناير 2017 .
  16. صحيفة هيوستن كرونيكل ، 9 مارس 2003
  17. 1 2 "وكالة ناسا تعرض بلاطات مكوك الفضاء على المدارس والجامعات" . 1 ديسمبر 2010. مؤرشف من الأصل في 8 يوليو 2011.