航天器的形状
航天飞机从太空返回地球时会与大气层摩擦产生热量,早期的科幻小说作家和先前极超音速空天飞机的设计者们都认为解决这一难题的最好方法就是设计一种针状物体,它可以迅速下降到达地面,但是事实却与之相反。
针状物可以直接吸收作用在它上面的冲击波,大气摩擦产生的动能会转化成热能,产生的热能极高,以至于大部分材料都不能幸免。
20世纪50年代,空气动力学家阿尔弗雷德・艾格斯发现了ー个解决方法。他指出熨斗状的物体是重返大气层的最佳选择。航天器底部首先进入大气层,钝端产生的冲击波会分散到底部周围,冲击波中包含大量热能并传递到航天器表面,航天器表面则只会受到冲击波的辐射热。
然而,航天器表面的温度仍然接近了1950℃,但是当时已经存在很多材料可以承受如此高的温度了。因此,早期的航天器会让底部先进入大气层,这样可以分散沖击波并隔离主要的热源。航天飞机之前的所有载人航天器都使用烧蚀热防护材料,这种材料可以通过燃烧带走大部分热量。
阿波罗指令舱从月球返回进入大气层的速度为25000英里/1小时,很明显产生的热量是非常巨大的。为了防止被烧毁,指令舱的热防护层是一个不锈钢蜂窝状结构,蜂窝细胞内填充了环氧树脂以防止其烧焦。由于先前的载人航天器只使用一次,因此烧蚀材料是可以考虑的,但是航天飞机则不同,它会经过短暂的检修再次使用。热防护层必须保持完整并且可以多次使用。
强化碳一碳材料
美国国家航空航天局没有选择煷蚀材料,而是选择了所谓的散热材料来保护航天飞机轨道航天器的铝制结构,而轨道航天器的铝制结构能承受的最大温度仅约为178℃。为了保护轨道航天器,航天飞机最好的选择是强化碳—碳材料。弹道导弹的前锥体就采用了这种材料,这种复合材料由碳纤维强化石墨矩阵组成,并得到广泛应用。
这种材料是布拉汉姆车队在20世纪70年代为赛车运动研制的,目前已经成为F1赛车盘式制动器的标准材料。
强化碳—碳是吸收热沖击波的理想材料,它的热膨胀系数比较低,换句话说就是工作时它很坚硬,但是如果需要弯曲它就会碎裂。而且它相对易碎,并且易受到振动的影响。尽管用强化碳—碳材料覆盖轨道航天器表面是非常合适的,但是密度为124磅/应方英尺,其重量就显得有些大。此外,因为它不灵活,轨道航天器的热膨胀和收缩会导致其破裂。
太空的真空环境没有传导性,航天飞机会经历约-118-416℃的巨大温差,因此随着膨胀和收缩,其结构会发生小幅度弯曲。工程师们意识到热量和温度是两个独立的条件,强化碳—碳材料在温度最高最热的地方是必不可少的,例如前机身的机鼻和机翼的前绿。轨道航天器的机鼻不会弯曲,因此此处可以全部使用强化碳—碳材料。但是机翼会弯曲,因此每个机翼的前绿上会单独使用22块独立的U形强化碳一碳防护片。
强化碳一碳材料可以在最低-250°F(约-157℃)和最高3000°F(约1950℃)的温差内保护轨道航天器。在2300°F(约1260℃)下保护轨道航天器,工程师采用了两种不同的隔热瓷片。最热的区域,温度会超过1200°F(约650℃),这里会安装耐高温、可反复使用的表面绝热材料(HRSI)。对于温度较低区域,其最高温度也不会超过1200°F(约650℃),这里会使用耐低温、可反复使用的表面绝热材料(LRSI)。黑色涂层HRSI包括单个瓷砖状瓷片,根据位置厚度为1~5英寸,但是通常机翼和机身下表面前部厚,后部薄。HRSI瓷片是6英寸×6英寸的正方形,材料是纯度为99.8%的硅,其密度为22磅/立方英尺。
隔热瓦
另一种隔热材料是美国国家航空航天局加利福尼亚州的艾姆斯研究中心研制的耐火纤维复合材料隔热瓦(FRCI)。
它的重量要比标准的HRSI小很多,其密度仅为12磅/应方英尺。这种名为 Nextel的材料是通过将标准HRSI瓷片中添加铝硼硅纤维而制成的。它不仅重量更轻,而且拉伸强度更高,并且其耐热温度还比标准的瓷片高100度这些HRSl瓷片的卓越性能可以使它们在2300°F(约1260℃)时,让一只没戴手套的手在几秒钟的时间内完好无损。与粉末硅化物和硼硅玻璃混合物一起覆盖着航天器顶部和侧面,涂层厚度为0.16-0.18毫米。这种光亮的黑色表面就是瓷片散发热量的物质,它可以阻挡95%的热量。
LRSI瓷片也同样非常重要,但是它们更薄,尺す为8英寸×8英寸,为0.1毫米厚的白色正方形,它们由硅和光滑的氧化铝混合而成。它们附着在两个机翼的上表面以及机身和尾翼的平坦区域。这层白色涂层负责轨道航天器在太空中时的热量管理。
在OV-102哥伦比亚号组装和首次展出后,人们研制了先进的柔性可复用表面隔热材料( AFRSI)来取代大部分白的LRSl瓷片。新型 AFRSI由低密度的纤维氧化硅毡组成,纤维氧化硅毡是高纯度氧化硅和99.8%的无定形氧化硅用硅线缝制而成的,外面可以看到缝制外观。
它保护的地方其温度从不会超过700°F(约382℃),这种可重复使用的表面隔热毡FRS)直接粘贴到轨道航天器上。每艘轨道航天器上的热防护系统的总重量差别甚微,但是其平均重量为8574磅,而覆盖表面2%的强化碳一碳瓷片就占这一部分的20% 。黑色的HRSI占了总重量的50%多,白色的LRSl占据了12%,而两者就覆盖了轨道航天器66%的表面。其他的则属于FRS和各种其他温度控制材料。
每艘轨道航夭器上的瓷片数量超过27000块,每一块都有自己特定的位置。每一块都有黄色数字编号,技术人员可以按照计算机的指示进行正确安装。标志和数字采用的是染色硅基材料,现在汽车发动机上的标记也采用这种材料,它可以承受1000°F(约538℃)的高温。