Kritické momenty kosmonautiky 26. díl

Přistání mise STS-27

V kabině raketoplánu vládlo napjaté ticho, přerušované pouze informacemi velitele o rychlosti, výšce a vzdálenosti od přistávací dráhy. Stroj se nořil do hustých vrstev atmosféry a narůstající tření zahřívalo jeho tmavé břicho stále více. Nejexponovanější místa, jako je nos raketoplánu, náběžné hrany a břicho orbiteru, se rozpalovala na teplotu kolem 1600°C, ale astronauti na palubě necítili nic z ohnivého inferna, které zuřilo jen pár decimetrů od nich. Přesto bylo na jejich obličejích znát napětí. Věděli, že tepelný štít jejich stroje je vážně poškozen a podvědomě čekali na náhlý neobvyklý pohyb raketoplánu, jekot alarmu a vlnu horka, která ohlásí posledních pár sekund jejich životů. Konstrukcí stroje otřásaly nárazy a dunění. Bylo to normální? Nebo bylo při minulých misích ono dunění slabší? Velitel klidným hlasem informoval posádku: „Mach 20, výška 210 000 stop; 1 190 mil do přistání… Mach 18; 200 000 stop… Přetížení 1g… 185 000 stop; Mach 15,5… 1,4 géčka…“ Všichni na palubě si oddechli- raketoplán překonal oblast největšího tepelného namáhání. Před nimi se za několik minut objevila přistávací dráha na Edwardsově základně. Byl 6. prosinec 1988 a mise STS-27 se chýlila ke konci. Když o půl čtvrté odpoledne místního času Atlantis zastavil na dráze a shromáždění inženýři si mohli zblízka prohlédnout jeho pravý bok, jenom polkli naprázdno a beze slova zírali na tu spoušť. Fakt, že Atlantis přežil tak rozsáhlé poškození tepelného štítu, vypadal jako malý zázrak…

 

Technické intermezzo aneb skleněná raketa  (2/5)

 

Ještě v průběhu mise dostali astronauti z řídícího střediska informaci, že se během startu odtrhnul kus ablativního materiálu ze špice pravého SRB a udeřil do trupu Atlantisu. Pomocí kamery na konci „kanadské ruky“ (manipulátoru, umístěném v nákladovém prostoru) pak prozkoumali pravý bok orbiteru, kam měl onen úlomek udeřit. Astronauti nechtěli věřit vlastním očím: nejprve do jejich zorného pole vpluly cákance bílé barvy, což ve skutečnosti byly dlaždice tepelné ochrany, které měly raketoplán chránit při ohnivém návratu z vesmíru. Ty byly nyní zbaveny své povrchové vrstvy, která měla černou barvu, a odhalovaly své bílé nitro. Jedna dlaždice dokonce zcela chyběla! Astronauti hlásili do řídícího střediska, že pozorují několik stovek poškozených dlaždic. Manipulátor se nedokázal dostat zorným polem kamery až k náběžné hraně křídla, pokud by však byla poškozena, Atlantis a všichni na palubě by byli ztraceni.

Kontroloři v řídícím středisku tvrzení astronautů nevěřili- obraz na konzolích v sále řízení letu byl velmi neostrý. Odhad střediska zněl: několik desítek poškozených dlaždic, nic vážného. Proto byli technici a inženýři zralí na infarkt, když po přistání napočítali kolem 700 poškozených dlaždic a hliníková konstrukce na místě, které měla chránit chybějící dlaždice, vykazovala známky poškození žárem! Bylo to dosud nejhorší poškození TPS (Thermal Protection System- systém tepelné ochrany raketoplánu, tedy velmi zjednodušeně řečeno- tepelný štít). Byly provedeny příslušné změny ohledně špice SRB a problém se zdál být vyřešen. Ale… ve skutečnosti tady byl od počátku a nikdy, až do ukončení letů raketoplánů v roce 2011, zcela nezmizel.

Rozložení prvků TPS na povrchu Columbie

Rozložení prvků TPS na povrchu Columbie
zdroj: http://upload.wikimedia.org

Geneze amerického raketoplánu a zejména TPS nebyla jednoduchá. Předchozí návratové moduly amerických lodí používaly (stejně jako jejich sovětské protějšky) ablativní tepelný štít, který se postupně působením žáru odtavoval a tím odváděl tepelnou energii mimo konstrukci kabiny. Ale v případě shuttlu nebylo myslitelné použít štít, který by bylo nutno po každém letu znovu kompletně nanést na konstrukci, nehledě k příliš vysoké hmotnosti tohoto řešení. Konstruktéři museli přijít na něco jiného. Rozhodli se pro materiály, které teplo nepohlcují, ale rozptylují (tzv. heat- sink materiály). Nabízelo se použití kompozitů. Zejména RCC  (Reinforced carbon-carbon- kompozit uhlík-uhlík) byl nadějným kandidátem. Jeho nevýhodou však byla vysoká hmotnost a křehkost. Přesto se RCC uplatnil na špici orbiteru a také na náběžných hranách křídel. Špice je tvořena jediným kusem RCC, ovšem náběžné hrany se během letu nepatrně ohýbají, proto nebylo možné použít jednolitý kus kompozitu. Řešení se našlo v podobě 22 separátních panelů RCC pro každé z křídel, které jsou ke konstrukci připevněny pomocí plovoucího uchycení a dovolují tak jemné pohyby náběžné hrany. Kompozit RCC tvoří pouhá 2% rozlohy tepelné ochrany raketoplánu, přesto se na její hmotnosti podílí 20 procenty.

A co zbývajících 98% povrchu orbiteru? Nejexponovanější plochy, tedy břicho; boky; náběžnou hranu vertikálního stabilizátoru a směrovky; části „nosu“, horního povrchu křídel a krytů motorů OMS kryjí černé dlaždice HRSI (High-temperature Reusable Surface Insulation- vysokoteplotní znovupoužitelná povrchová izolace). Jedná se o výrobky firmy Lockheed. Jsou tvořeny vysoce čistými křemíkovými vlákny a jejich povrch je kvůli voděodolnosti ošetřen směsí tetrasilicidu a borosilikátového skla, která dlaždici dodává její tmavé zbarvení. Pouze 10% jejich objemu tvoří křemík a 90% tvoří vzduch. Dokáží natolik dobře odvádět teplo, že po zahřátí v peci na 1000°C je možné několik sekund po vyjmutí z pece držet dlaždici holou rukou. Na některých místech byly dlaždice HRSI postupně nahrazeny vylepšenými dlaždicemi FRCI (Fibrous Refractory Composite Insulation Tiles).

Méně exponovaná místa jsou pokryta bílými dlaždicemi LRSI (Low- temperature Reusable Surface Insulation- nízkoteplotní znovupoužitelná povrchová izolace). Jejich složení je stejné jako u HRSI, jsou jen tenčí a jejich povrch je ošetřen bílým přípravkem, který jednak odpuzuje vodu a také se díky svému zbarvení podílí na tepelné kontrole orbiteru na oběžné dráze. Většina dlaždic LRSI byla v průběhu služby orbiterů nahrazena „dekami“ AFRSI (Advanced Flexible Reusable Surface Insulation- pokročilá pružná znovupoužitelná povrchová izolace), což jsou zjednodušeně řečeno kusy křemíkového „filcu“ o rozměrech 1 x 1 m. Konkrétně třeba Columbia se této modifikace dočkala po svém sedmém letu.

Původně se předpokládalo, že horní část orbiteru nebude muset být vůbec pokryta termální ochranou, ale simulace, provedené v březnu 1975 překvapivě ukázaly, že teplota na horní části raketoplánu může při návratu přesáhnout 175°C, tedy hodnotu, při které začíná hliníková konstrukce orbiteru ztrácet pevnost. Proto byly na horní část stroje připevěny nomexové pláty FRSI (Felt Reusable Surface Insulation- plstěná znovupoužitelná povrchová izolace).

Aplikace dlaždic se ukázala být velmi zdlouhavým procesem. Ke každé dlaždici musela být zespoda přilepena nomexová  podložka, která měla za úkol dlaždici izolovat od hliníkové konstrukce orbiteru. Ta se totiž během tepelného namáhání při střídání vysokých a nízkých teplot na orbitu rozpínala a smršťovala, a pokud by byly křehké dlaždice přilepeny přímo na ni, mohly by popraskat. Samotné lepení pak bylo technologicky i časově náročným procesem.

Během stavby prvního letového exempláře OV-102, pojmenovaného Columbia, dělaly dlaždice vrásky na čele techniků. V březnu 1979 Columbii převezl Boeing-747 SCA z výrobního závodu v Palmdale na KSC k plánovanému slavnostnímu odhalení. Jenže z 30 759 dlaždic jich v té době zbývalo nalepit ještě přibližně 6 000! NASA v jednu chvíli dokonce angažovala jako brigádníky studenty okolních univerzit, jejich pracovní morálka a dodržování přísných technologických postupů však nebyly zdaleka na požadované úrovni. Většinu dlaždic bylo nutno vyměnit. A měnilo se nejen kvůli chybnému postupu, mnoho dlaždic prostě neprošlo přísnými testy. Ještě v září 1980 bylo nutno vyměnit 4,741 kusů! Nakonec ale raketoplán mohl před celým světem nastoupit svůj premiérový let.

Chybějící dlaždice LRSI při misi STS-1

Chybějící dlaždice LRSI při misi STS-1
zdroj: http://www.nasa.gov

12. dubna 1981, tedy přesně na den 20 let po historickém Gagarinově letu, odstartovala Columbia z KSC s dvoučlennou posádkou John W. Young a Robert L. Crippen. Ale krátce po navedení na oběžnou dráhu a otevření nákladového prostoru čekalo na všechny nepříjemné překvapení. Na krytu pravého motoru OMS několik dlaždic chybělo! Okamžitě se vyrojila řada spekulací ohledně bezpečného návratu Columbie, média měla žně. Inženýři a technici si zatím lámali hlavu, jaký dopad bude mít ztráta několika dlaždic LRSI na bezpečnost letu. Největším strašákem byl takzvaný „Zipper effect“, tedy efekt zipu. Někteří inženýři totiž předpokládali, že pokud chybí jedna dlaždice, během vstupu do atmosféry se začnou odlupovat sousední kusy, jako když se otevírá zip. Columbia byla na orbitu prohlédnuta teleskopy a údajně i špionážním satelitem KH-11 (ačkoliv tuto informaci nikdo zodpovědný nepotvrdil a zřejmě ještě dlouho ani nepotvrdí). Jiné poškození, než oněch pár chybějících dlaždic se neprokázalo. Podle testů ve větrném tunelu ve středisku Ames neměla být ztráta 1-3 dlaždic problémem. To se také potvrdilo, když se Columbia po dvou dnech zastavila na dráze základny Edwards v Kalifornii.

Chybějících a poškozených dlaždic ale bylo nakonec více, než snímky na orbitu ukázaly. Celkem se jednalo o 16 kusů. V důsledku toho byly změněny některé technologické postupy a raketoplán byl uschopněn k dalšímu provozu. Někteří astronauti mu ale začali přezdívat „skleněná raketa“. Naráželi tak na evidentně velmi křehký tepelný štít, na kterém závisela jejich jízdenka domů.

V průběhu služby shuttlu se objevilo mnoho případů odpadnutí nebo poškození dlaždic během startu, ať už dynamickým namáháním, nebo impaktem cizího tělesa. Problémy se objevily také s náběžnými hranami z kompozitu RCC. Technici nalezli drobné prasklinky v takzvaných T-seals, což byly ucpávky mezi panely náběžné hrany, které umožnovaly tepelnou expanzi konstrukce křídla, aniž by byla narušena celistvá linie panelů. V panelech samotných pak byly během inspekce v roce 1993 objeveny mikroskopické otvory. Ty byly důsledkem změn v údržbě obslužné věže, která během příprav ke startu přiléhala k raketoplánu.

Vzorek izolační pěny z nádrže ET

Vzorek izolační pěny z nádrže ET
zdroj: http://spaceflightnow.com

Odkud se ale braly ony předměty, jejichž úder ničil delikátní tepelný kabát shuttlu? Jejich původcem byla v naprosté většině případů nádrž ET. Protože v ní byla uchovávána kryogenika, tedy hluboce podchlazené složky paliva pro motory SSME v zádi shuttlu, musela být dobře izolována od okolního prostředí, aby se kapalný vodík (-253°C) a kapalný kyslík (-182°C) během krátké doby nevyvařily. Kryogenika se odpařují při běžné teplotě velmi rychle a během startu je třením o molekuly vzduchu a teplotou výtokových plynů SSME, SRB a výbušných čepů při oddělování pomocných motorů nádrž navíc na některých místech zahřívána na 649°C. Elegantním řešením těchto konstrukčních problémů se ukázala být pěnová izolace. Ta je směsí isokyanátu, polyolu, zpomalovače hoření, surfaktantu (ten udržuje povrchové napětí během aplikace) a katalyzátoru (ten zase urychluje polymerizaci nástřiku). Některá místa konstrukce byla ještě pokryta ablativní směsí silikonové pryskyřice a korku. Úlohou pěnové izolace bylo nejen udržení vnitřní teploty nádrže, ale také prevence formování ledových plátů, ochrana proti úderům cizích těles a udržení strukturální celistvosti nádrže těsně před vstupem do atmosféry a tím i jejím zničením. Její tloušťka se v závislosti na umístění pohybovala mezi 2,5 až 5 cm.

Od roku 1995 se sice změnilo složení pěny ve snaze zlepšit její mechanické a izolační vlastnosti, ale stále dokola se objevoval jeden problém: uvnitř pěnového obalu se během nástřiku tvořily „voids“, tedy prázdná místečka, zjednodušeně řečeno bublinky vzduchu. To by samo o sobě nebylo nijak podstatné, nebýt toho, že obsahovaly vzduch o normálním atmosferickém tlaku na hladině moře (Michoud Assembly Facility, kde byly nádrže vyráběny, leží u New Orleans a její nadmořská výška se pohybuje okolo 1 m.n.m.). Když pak během startu sestava shuttlu mířila výš a výš, okolní tlak se s výškou snižoval a bublinky v pěně se začaly rozpínat. To vedlo k odlupování plátů izolace. Kousky pěny často narážely na tepelný štít orbiteru a měly za následek poškozování dlaždic.

Onen jev se vyskytoval v různé míře během každého startu raketoplánu. Vedení NASA to nijak zvlášť nevzrušovalo- vždyť jaké vážné škody může napáchat pěna o hustotě 0,0384 g / cm3? Tedy relativně lehký materiál (pro srovnání- klasický pěnový polystyren má hustotu přibližně 0,05 g/cm3), jehož odloupnuté kousky během startu mají rozměry v centimetrech, výjimečně v decimetrech? A pokud to vyšlo tolikrát, příště to určitě vyjde zase. Startovní plán raketoplánů je nabitý a na přelomu tisíciletí se na obzoru začíná vynořovat konec jejich služby.  Úpravy v této fázi provozu by byly velmi drahé a znamenaly by narušení harmonogramu budování ISS. Budeme pokračovat tak, jako dosud. Pokud to čtenářům začíná něco neodbytně připomínat, nemýlí se. Zatím se ale vraťme na orbit, kde posádce Columbie odtikávají poslední minuty do návratu domů…

(článek má pokračování)

 

Zdroje obrázků:

http://spaceflight.nasa.gov/gallery/images/shuttle/sts-27/lores/s27-s-014.jpg
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:ShuttleTPS2-colored.png
http://www.nasa.gov/images/content/513793main_image_1854_800-600.jpg
http://spaceflightnow.com/shuttle/sts107/030205foam/etfoam.jpg

Kritické momenty kosmonautiky 26. díl, 2.5 out of 5 based on 22 ratings
Pin It
(Visited 1 805 times, 1 visits today)
Nahlásit chybu

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 2.5/5 (22 votes cast)
(Visited 1 805 times, 1 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


13 komentářů ke článku “Kritické momenty kosmonautiky 26. díl”

  1. ramesse napsal:

    Kde presne na tom zabere chybaju tie dlazdice?? Nic mi tam nepripada ako chybajuce.

    • Ondřej Šamárek napsal:

      Na pravém podu OMS, na obrázku je to skoro úplně vlevo u kraje fotografie.

    • Ondřej T. napsal:

      Mě tedy ty geometricky přesné „fleky“ na krytu především pravého motoru přijdou víc než výmluvné 🙂

  2. Vaca1 napsal:

    Ve větě „Dokáží natolik dobře odvádět teplo, že po zahřátí v peci na 1000°C je možné několik sekund po vyjmutí z pece držet dlaždici holou rukou.“ má být zřejmě zadržovat teplo, jinak mi ta věta nedává smysl.

    • Ondřej Šamárek napsal:

      Jestliže by zadržovaly teplo, byly by naopak „neuchopitelné“ ještě hodně dlouho poté. V originále je v materiálech NASA uvedeno v této souvislosti slovo „dissipate“, tedy něco jako rozptyl, odvod nebo něco v tom smyslu.

  3. bub napsal:

    no ja neviem, skoly nemam, ale slovo pena znamena material plny vzduchu alebo ineho plynu, ktory sa bude pri nizsom okolitom tlaku domahat uvolnenia. takze to, ze pri nastreku vznikali nejake voids je iba bonus a nie jediny dovod problemov.

    • Ondřej Šamárek napsal:

      Zcela přesnou technologii aplikace pěny a přesné poměry a interakce jednotlivých složek samozřejmě neznám, pokud by to však bylo tak, jak píšete, sloupla by se pěna kompletně z celé nádrže. Podle mého laického odhadu bude zakopaný pes ve velikosti plynových kapes, které jsou technologicky v pořádku a jsou přirozenou součástí pěny(rozměry dejme tomu ve zlomcích mikronů) a bublinami, které vznikly špatným technologickým postupem a jejich rozměry jsou několikanásobně větší.

  4. moucka napsal:

    Pěnový polystyten má podle internetu měrnou hmotnost 10 až 20 gramů na dm3. Podle vašeho údaje by ani neplaval na vodě.(1,050 g/cm3). Měl byste to opravit.
    Jinak děkuji za výborné články.

    • Ondřej Šamárek napsal:

      Obávám se, že hustota polystyrenu je skutečně něco málo přes gram na cm3. Ověřoval jsem to z vícero zdrojů (narazil jsem dokonce na stránky jakési firmy, která vyrábí polystyrenové obaly :-D) a je to skutečně tak.

      • ramesse napsal:

        Hustota štandardného polystyrénu sa pohybuje v rozmedzí 1,04 až 1,09 g/cm³. Pri penovom, kde väčšinu objemu tvorí vzduch, je to len 0,02 až 0,06 g/cm³.

        Tolko definicia, mouckova namietka je celkom opravnena, cokolvek hustejsie ako 1 g/cm3 by sa vo vode utopilo a vacsina ludi si pod polystyrenom predstavi prave jeho penovu formu, nie tazku formu. To je cele.

        • Ondřej Šamárek napsal:

          To bude zřejmě ten zakopaný pes. Neuvědomil jsem si, že polystyren se vyrábí v různých formách. Aspoň se vzdělám i v jiných oborech, než je kosmonautika 🙂
          Díky a opraveno!

  5. Peter napsal:

    Aj som zabudol, že dnes je utorok a vychádza další diel KMK. Ma to potešilo až som sa sem pozrel. Škoda, že nebol dlhší, dočítal som do konca ani neviem ako a čakal som ešte aspoň raz toľko, dáko som ostal neukojený :D. Ale hoc málo, informativne super. Nevedel som, že tá izolačná pena sa striekala na nádrž, žil som v predstave, že je zložená tiež dáko z „dlaždíc“ , niečo na spôsob polystyrenových dosák, samozrejme patrične tvarovaných.

    Myslím, že vo vete:

    „Na některých místech byly dlaždice HRSI postupně nahrazeny vylepšenými dlaždicemi FRSI (Fibrous Refractory Composite Insulation Tiles).“

    je nesprávny akronym „FRSI“, kedže je znovu použitý o dva odstavce nižšie pri inom type.

    • Ondřej Šamárek napsal:

      Díky za pochvalu!
      Ohledně toho akronymu- je to skutečně překlep, má tam být FRCI- celý název je tam správně, jen u té zkratky mi to uteklo. Už jsem to opravil.
      To je tak, když autor při korektuře myslí na nesmysly… 😉 Díky moc za postřeh!

Zanechte komentář