کاربرد سرامیک در فضاپیماها

سرامیک ها در صنایع مختلف کاربردهای گوناگونی دارند که غالب این کاربردها مربوط به خواص فیزیکی برجسته از جمله تحمل دمای زیاد و مقاومت در مقابل سایش است. در صنایع هوافضا نیز به واسطه خواص و صفات مذکور، سرامیک ها دارای کاربردهای زیادی هستند. از آن جمله می توان به شیشه های ضد مه و ضد یخ پنجره هواپیماها، اجزای مختلف موتور جت، کاشی های شاتل فضایی، قطعات با مقاومت حرارتی بالا، اجزای الکتریکی ـ الکترونیکی، ناوبری و لنزهای تلسکوپ فضایی اشاره کرد. در این مقاله کاربرد سرامیک ها در سیستم های محافظت حرارتی شاتل مورد بررسی قرار گرفته است.
به واسطه سرعت زیاد شاتل در هنگام پرتاب و ورود به جو بدنه شاتل باید دمای زیادی را تحمل کند. حضور سرامیک ها در شاتل باعث تحمل دمای زیاد و در عین حال به حداقل رساندن وزن آن می شود. بر اثر تراست (Thrust) فراوان در حین پرتاب و سرعت بسیار زیاد در هنگام ورود به جو و خروج از آن ارتعاشات آکوستیکی فراوانی پدید می آید، که عایق بندی سرامیکی مخصوصی این ارتعاشات را دمپ می کند. از طرفی دیگر، قسمت اعظم نیروی بالا برنده (لیفت) در شاتل ها توسط اختلاف فشار سطوح آیرودینامیکی تامین می شود. حضور سرامیک ها باعث در اختیار داشتن سطوح آیرودینامیکی صاف و صیقلی می شود که این موضوع موجب ایجاد نیروی بالا برنده (لیفت) بسیار بالایی می شود. بارگذاری های حرارتی در سطوح مختلف بدنه شاتل متفاوت است. از این رو برحسب میزان حرارتی که در هر قسمت تولید می شود عایق بندی های مخصوص همان رنج دمایی طراحی شده است. از آن جمله می توان به عایق بندی های RCC-AFRSI- FRSI-LRSI-HRSI اشاره کرد. پارامترهای طراحی سیستم محافظت حرارتی شاتل، مراحل ساخت، نصب و نگهداری آن به تفصیل در این مقاله مورد بحث قرار گرفته اند.
سیستم حمل و نقل شاتل فضایی (STS) به منظور فراهم کردن روشی برای حمل بارها و سرنشینان در مدار کم ارتفاع زمین به وجود آمد. یکی از مسایل اساسی در پیشرفت این امر، طراحی یک سیستم محافظت حرارتی (TPS) قابل استفاده مجدد بود که نه تنها برای گرمای تولید شده در حین بازگشت به جو، بلکه برای پرتاب و فرود آمدن بارهای مکانیکی نیز طراحی شده بود. قسمت اعظم (TPS) شامل چندین هزار کاشی فیبری سیلیکای خالص است که با روکش سرامیکی به زیر ساختارهای آلومینیمی متصل می شوند.
سیستم شاتل شامل چهار عنصر اصلی است. بوسترهای موشک های سوخت جامد (SRB) موتورهای اصلی شاتل فضایی (SSME)، تانکر (ET) و فضاپیمای شاتل فضایی (SSO). سیستم طوری طراحی شده است که بتواند با ?? هزار و ??? Kgatm، به مدار برود و با ?? هزار و ??? Kgatm برگردد.
در این مقاله ابتدا سیکل کلی ماموریت یک شاتل فضایی و سپس با توجه به بارگذاری های حرارتی، سیستم محافظت حرارتی که شامل کاشی های مختلف است مورد بررسی قرار گرفته است. نزدیک به ?? درصد نیروی پیش رانش را که برای پرتاب، بوسترهای موشک های سوخت جامد فراهم می کنند و ?? درصد باقیمانده توسط موتورهای اصلی تامین می شود که با سوزاندن هیدروژن و اکسیژن موجود در تانکر، این کار را انجام می دهد. فضاپیما به صورت عمودی به همراه یک تانکر که شامل فضانوردان، موتورهای اصلی و بارهاست از زمین جدا می شود. طی وارد شدن به جو دمای قابل تحمل در زیر بدنه ???? درجه سانتی گراد و در لبه های فرار و نوک دماغه به ???? درجه سانتی گراد می رسد. در ارتفاعی تقریباً به اندازه ?? هزار متر سرعت فضاپیما تا هشت برابر سرعت صوت کاهش می یابد و از بیشترین بازدهی حرارتی عبور می کند. در ??? هزار و ??? متر فضاپیما به محدوده پرواز وارد می شود و می تواند به طور آیرودینامیکی برای نشستن مانور دهد، مانند گلایدر.
برای رسیدن به کمترین وزن فضاپیما ?? هزار کیلوگرم وزن خالص لازم است که از مواد سازه ای با بالاترین بازدهی استفاده شود. همچنین برای رسیدن به حداقل وزن و هزینه سازه اصلی فضاپیما باید از آلومینیم ساخته شود. در بسیاری از قسمت ها مانند درها و قسمت هایی از سیستم مانور به منظور دستیابی به کمترین وزن سازه از اپوکسی - گرافیت استفاده می شود. در این حالت آلومینیم و گرافیت محدود به ??? درجه سانتی گراد هستند تا کیفیت آنها پایین نیاید.
در طراحی شاتل ها از تکنیک های گوناگونی برای محافظت از سوختن یک قطعه استفاده می شد. بعضی از این تکنیک ها شامل استفاده از چاه گرمایی و بعضی هم شامل استفاده از فلزات کاهنده بودند که می سوختند و تبخیر می شدند. در نتیجه هیچ کدام از شاتل ها قابل استفاده مجدد نبودند و برای رفع این مشکل متخصصان توانستند از مواد و تکنیک هایی استفاده کنند که شاتل ها را محافظت کند.
سیستم محافظت حرارتی شامل مواد گوناگون کاربردی، برای حفاظت پوسته در دماهای قابل قبول است. به علاوه آنها قابلیت استفاده مجدد در ??? ماموریت را در صورتی که مجدداً بازسازی شوند، دارند. همچنین این مواد در محدوده دمایی ???- درجه سانتی گراد تا دمای بازگشت به جو که حدود ???? درجه سانتی گراد است، قابل استفاده هستند. به طور کلی (TPS) از یک پوشش عایق تشکیل شده است. ممکن است عایق ها از یک پوشش قابل انعطاف یا از کاشی های قالب بندی شده باشند. به هر حال، در بعضی قسمت های وسیله (مخصوصاً لبه حمله) ممکن است گرما و فشار خیلی شدید باشد، به طوری که کاشی ها نتوانند محافظت کافی را فراهم کنند. در این قسمت ها، کامپوزیت های مقاوم دما بالا و محکم مستقیماً با سازه های آیرودینامیکی به کار رفته اند. این سطوح داغ نیروی بالابرنده ای را به بدنه و بال ها مانند یک نیروی عمود بر لبه حمله انتقال می دهند و به علاوه از ضربه شدید هنگام ورود به جو جلوگیری می کنند.
همچنان که ذکر شد (TPS) سیستمی است که شامل مواد ویژه ای جهت پایداری در دماهای بالاست که این مواد به شرح زیر هستند:
عایق سطح قابل استفاده مجدد(RSI) : این گروه از سه ماده و دو رنگ هستند. بیشتر قسمت های بال ها و چرخ های شاتل را پوشش می دهند. این سه ماده کامپوزیت هایی هستند که اکثراً از الیاف سیلیکا همراه با مواد افزودنی گوناگون ساخته شده اند. عملیات حرارتی در این روش شبیه پختن سرامیک هاست که می تواند با شیشه های سفید یا سیاه پوشانده شود، که این کاشی ها در دو نوع (LRSI) و (HRSI) به شرح زیر هستند:
?ـ کاشی دما پایین برای عایق کاری سطح (LRSI) که این کاشی ها به رنگ سفید هستند و در قسمت معینی از جلو، وسط، عقب بدنه، اطراف اتاق خلبان، دم قائم، بالای بال و پوسته استفاده شده اند. این کاشی ها مناطقی را که دما زیر ??? درجه سانتی گراد است پوشش می دهد و نور خورشید را منعکس می کنند.
کاشی های (LRSI) از ساختمان سیلیکا با درجه خلوص ?/?? درصد هستند. ضخامت توسط برخورد بار گرمایی طی وارد شدن به جو معین می گردد. یک پوشش سفیدنوری و مقاوم به رطوبت با ضخامت های ?? میل در بالا و اطراف بدنه فضاپیما به کار می رود. این پوشش از ترکیبات سیلیکا همراه با اکسید آلومینیم ساخته شده است.
?ـ کاشی دما بالا برای عایق کاری سطح (HRSI) که به رنگ سیاه هستند و مناطقی را که حداکثر دما بین ???درجه سانتی گراد تا ???? درجه سانتی گراد است، را پوشش می دهند و کمک می کنند تا گرما در مدت بازگشت به جو ساطع شود. در مناطقی بر روی قسمت بالایی بدنه جلویی فضاپیما، در اطراف پنجره های بدنه جلویی (درست در قسمت پایین وسیله که (RCC) استفاده نمی شود) بخش های سیستم مانور مخازن (RCS) و پوسته محافظ سیستم کنترل واکنش، لبه حمله و لبه فرار سکان عمودی، مناطق ثابت بال، لبه شهسام و سطح flap بدنه بالایی مورد استفاده قرار می گیرند.
کاشی های (HRSI) از سیلیکای چگالی پایین و با درصد خلوص بالا و ?/?? درصد فیبر آمورف (فیبر از ماسه معمولی با ضخامت یک تا دو میل نتیجه می شود) عایق و به وسیله یک اتصال سرامیکی به جسم صلب تبدیل شده است. زیرا ?? درصد کاشی ها توخالی هستند و ?? درصد باقیمانده ماده است.
این کاشی ها در ضخامت های ?/? تا ?/?? سانتی متر تغییر می کند. ضخامت های متغیر به وسیله بار حرارتی در هنگام ورود به جو به وجود می آیند. به طورکلی کاشی های (HRSI) در سطوح جلویی فضاپیما ضخیم تر هستند و در قسمت انتهایی باریک تر.