كاربرد سراميك در فضاپيماها
سامانسياح
سراميك ها در صنايع مختلف كاربردهاي گوناگوني دارند كه غالب اين كاربردها مربوط به خواص فيزيكي برجسته از جمله تحمل دماي زياد و مقاومت در مقابل سايش است. در صنايع هوافضا نيز به واسطه خواص و صفات مذكور، سراميك ها داراي كاربردهاي زيادي هستند. از آن جمله مي توان به شيشه هاي ضد مه و ضد يخ پنجره هواپيماها، اجزاي مختلف موتور جت، كاشي هاي شاتل فضايي، قطعات با مقاومت حرارتي بالا، اجزاي الكتريكي ـ الكترونيكي، ناوبري و لنزهاي تلسكوپ فضايي اشاره كرد. در اين مقاله كاربرد سراميك ها در سيستم هاي محافظت حرارتي شاتل مورد بررسي قرار گرفته است.
به واسطه سرعت زياد شاتل در هنگام پرتاب و ورود به جو بدنه شاتل بايد دماي زيادي را تحمل كند. حضور سراميك ها در شاتل باعث تحمل دماي زياد و در عين حال به حداقل رساندن وزن آن مي شود. بر اثر تراست (Thrust) فراوان در حين پرتاب و سرعت بسيار زياد در هنگام ورود به جو و خروج از آن ارتعاشات آكوستيكي فراواني پديد مي آيد، كه عايق بندي سراميكي مخصوصي اين ارتعاشات را دمپ مي كند. از طرفي ديگر، قسمت اعظم نيروي بالا برنده (ليفت) در شاتل ها توسط اختلاف فشار سطوح آيروديناميكي تامين مي شود. حضور سراميك ها باعث در اختيار داشتن سطوح آيروديناميكي صاف و صيقلي مي شود كه اين موضوع موجب ايجاد نيروي بالا برنده (ليفت) بسيار بالايي مي شود. بارگذاري هاي حرارتي در سطوح مختلف بدنه شاتل متفاوت است. از اين رو برحسب ميزان حرارتي كه در هر قسمت توليد مي شود عايق بندي هاي مخصوص همان رنج دمايي طراحي شده است. از آن جمله مي توان به عايق بندي هاي RCC-AFRSI- FRSI-LRSI-HRSI اشاره كرد. پارامترهاي طراحي سيستم محافظت حرارتي شاتل، مراحل ساخت، نصب و نگهداري آن به تفصيل در اين مقاله مورد بحث قرار گرفته اند.
سيستم حمل و نقل شاتل فضايي (STS) به منظور فراهم كردن روشي براي حمل بارها و سرنشينان در مدار كم ارتفاع زمين به وجود آمد. يكي از مسايل اساسي در پيشرفت اين امر، طراحي يك سيستم محافظت حرارتي (TPS) قابل استفاده مجدد بود كه نه تنها براي گرماي توليد شده در حين بازگشت به جو، بلكه براي پرتاب و فرود آمدن بارهاي مكانيكي نيز طراحي شده بود. قسمت اعظم (TPS) شامل چندين هزار كاشي فيبري سيليكاي خالص است كه با روكش سراميكي به زير ساختارهاي آلومينيمي متصل مي شوند.
سيستم شاتل شامل چهار عنصر اصلي است. بوسترهاي موشك هاي سوخت جامد (SRB) موتورهاي اصلي شاتل فضايي (SSME)، تانكر (ET) و فضاپيماي شاتل فضايي (SSO). سيستم طوري طراحي شده است كه بتواند با ۲۹ هزار و ۵۰۰ Kgatm، به مدار برود و با ۱۴ هزار و ۵۰۰ Kgatm برگردد.
در اين مقاله ابتدا سيكل كلي ماموريت يك شاتل فضايي و سپس با توجه به بارگذاري هاي حرارتي، سيستم محافظت حرارتي كه شامل كاشي هاي مختلف است مورد بررسي قرار گرفته است. نزديك به ۸۰ درصد نيروي پيش رانش را كه براي پرتاب، بوسترهاي موشك هاي سوخت جامد فراهم مي كنند و ۲۰ درصد باقيمانده توسط موتورهاي اصلي تامين مي شود كه با سوزاندن هيدروژن و اكسيژن موجود در تانكر، اين كار را انجام مي دهد. فضاپيما به صورت عمودي به همراه يك تانكر كه شامل فضانوردان، موتورهاي اصلي و بارهاست از زمين جدا مي شود. طي وارد شدن به جو دماي قابل تحمل در زير بدنه ۱۲۶۰ درجه سانتي گراد و در لبه هاي فرار و نوك دماغه به ۱۴۹۰ درجه سانتي گراد مي رسد. در ارتفاعي تقريباً به اندازه ۴۷ هزار متر سرعت فضاپيما تا هشت برابر سرعت صوت كاهش مي يابد و از بيشترين بازدهي حرارتي عبور مي كند. در ۱۵۶ هزار و ۵۰۰ متر فضاپيما به محدوده پرواز وارد مي شود و مي تواند به طور آيروديناميكي براي نشستن مانور دهد، مانند گلايدر.
براي رسيدن به كمترين وزن فضاپيما ۷۵ هزار كيلوگرم وزن خالص لازم است كه از مواد سازه اي با بالاترين بازدهي استفاده شود. همچنين براي رسيدن به حداقل وزن و هزينه سازه اصلي فضاپيما بايد از آلومينيم ساخته شود. در بسياري از قسمت ها مانند درها و قسمت هايي از سيستم مانور به منظور دستيابي به كمترين وزن سازه از اپوكسي - گرافيت استفاده مي شود. در اين حالت آلومينيم و گرافيت محدود به ۱۷۵ درجه سانتي گراد هستند تا كيفيت آنها پايين نيايد.
در طراحي شاتل ها از تكنيك هاي گوناگوني براي محافظت از سوختن يك قطعه استفاده مي شد. بعضي از اين تكنيك ها شامل استفاده از چاه گرمايي و بعضي هم شامل استفاده از فلزات كاهنده بودند كه مي سوختند و تبخير مي شدند. در نتيجه هيچ كدام از شاتل ها قابل استفاده مجدد نبودند و براي رفع اين مشكل متخصصان توانستند از مواد و تكنيك هايي استفاده كنند كه شاتل ها را محافظت كند.
سيستم محافظت حرارتي شامل مواد گوناگون كاربردي، براي حفاظت پوسته در دماهاي قابل قبول است. به علاوه آنها قابليت استفاده مجدد در ۱۰۰ ماموريت را در صورتي كه مجدداً بازسازي شوند، دارند. همچنين اين مواد در محدوده دمايي ۱۵۵- درجه سانتي گراد تا دماي بازگشت به جو كه حدود ۱۶۵۰ درجه سانتي گراد است، قابل استفاده هستند. به طور كلي (TPS) از يك پوشش عايق تشكيل شده است. ممكن است عايق ها از يك پوشش قابل انعطاف يا از كاشي هاي قالب بندي شده باشند. به هر حال، در بعضي قسمت هاي وسيله (مخصوصاً لبه حمله) ممكن است گرما و فشار خيلي شديد باشد، به طوري كه كاشي ها نتوانند محافظت كافي را فراهم كنند. در اين قسمت ها، كامپوزيت هاي مقاوم دما بالا و محكم مستقيماً با سازه هاي آيروديناميكي به كار رفته اند. اين سطوح داغ نيروي بالابرنده اي را به بدنه و بال ها مانند يك نيروي عمود بر لبه حمله انتقال مي دهند و به علاوه از ضربه شديد هنگام ورود به جو جلوگيري مي كنند.
همچنان كه ذكر شد (TPS) سيستمي است كه شامل مواد ويژه اي جهت پايداري در دماهاي بالاست كه اين مواد به شرح زير هستند:
عايق سطح قابل استفاده مجدد(RSI) : اين گروه از سه ماده و دو رنگ هستند. بيشتر قسمت هاي بال ها و چرخ هاي شاتل را پوشش مي دهند. اين سه ماده كامپوزيت هايي هستند كه اكثراً از الياف سيليكا همراه با مواد افزودني گوناگون ساخته شده اند. عمليات حرارتي در اين روش شبيه پختن سراميك هاست كه مي تواند با شيشه هاي سفيد يا سياه پوشانده شود، كه اين كاشي ها در دو نوع (LRSI) و (HRSI) به شرح زير هستند:
۱ـ كاشي دما پايين براي عايق كاري سطح (LRSI) كه اين كاشي ها به رنگ سفيد هستند و در قسمت معيني از جلو، وسط، عقب بدنه، اطراف اتاق خلبان، دم قائم، بالاي بال و پوسته استفاده شده اند. اين كاشي ها مناطقي را كه دما زير ۶۵۰ درجه سانتي گراد است پوشش مي دهد و نور خورشيد را منعكس مي كنند.
كاشي هاي (LRSI) از ساختمان سيليكا با درجه خلوص ۸/۹۹ درصد هستند. ضخامت توسط برخورد بار گرمايي طي وارد شدن به جو معين مي گردد. يك پوشش سفيدنوري و مقاوم به رطوبت با ضخامت هاي ۱۰ ميل در بالا و اطراف بدنه فضاپيما به كار مي رود. اين پوشش از تركيبات سيليكا همراه با اكسيد آلومينيم ساخته شده است.
۲ـ كاشي دما بالا براي عايق كاري سطح (HRSI) كه به رنگ سياه هستند و مناطقي را كه حداكثر دما بين ۶۵۰درجه سانتي گراد تا ۱۲۶۰ درجه سانتي گراد است، را پوشش مي دهند و كمك مي كنند تا گرما در مدت بازگشت به جو ساطع شود. در مناطقي بر روي قسمت بالايي بدنه جلويي فضاپيما، در اطراف پنجره هاي بدنه جلويي (درست در قسمت پايين وسيله كه (RCC) استفاده نمي شود) بخش هاي سيستم مانور مخازن (RCS) و پوسته محافظ سيستم كنترل واكنش، لبه حمله و لبه فرار سكان عمودي، مناطق ثابت بال، لبه شهسام و سطح flap بدنه بالايي مورد استفاده قرار مي گيرند.
كاشي هاي (HRSI) از سيليكاي چگالي پايين و با درصد خلوص بالا و ۸/۹۹ درصد فيبر آمورف (فيبر از ماسه معمولي با ضخامت يك تا دو ميل نتيجه مي شود) عايق و به وسيله يك اتصال سراميكي به جسم صلب تبديل شده است. زيرا ۹۰ درصد كاشي ها توخالي هستند و ۱۰ درصد باقيمانده ماده است.
اين كاشي ها در ضخامت هاي ۵/۲ تا ۵/۱۲ سانتي متر تغيير مي كند. ضخامت هاي متغير به وسيله بار حرارتي در هنگام ورود به جو به وجود مي آيند. به طوركلي كاشي هاي (HRSI) در سطوح جلويي فضاپيما ضخيم تر هستند و در قسمت انتهايي باريك تر.
سامانسياح
سراميك ها در صنايع مختلف كاربردهاي گوناگوني دارند كه غالب اين كاربردها مربوط به خواص فيزيكي برجسته از جمله تحمل دماي زياد و مقاومت در مقابل سايش است. در صنايع هوافضا نيز به واسطه خواص و صفات مذكور، سراميك ها داراي كاربردهاي زيادي هستند. از آن جمله مي توان به شيشه هاي ضد مه و ضد يخ پنجره هواپيماها، اجزاي مختلف موتور جت، كاشي هاي شاتل فضايي، قطعات با مقاومت حرارتي بالا، اجزاي الكتريكي ـ الكترونيكي، ناوبري و لنزهاي تلسكوپ فضايي اشاره كرد. در اين مقاله كاربرد سراميك ها در سيستم هاي محافظت حرارتي شاتل مورد بررسي قرار گرفته است.
به واسطه سرعت زياد شاتل در هنگام پرتاب و ورود به جو بدنه شاتل بايد دماي زيادي را تحمل كند. حضور سراميك ها در شاتل باعث تحمل دماي زياد و در عين حال به حداقل رساندن وزن آن مي شود. بر اثر تراست (Thrust) فراوان در حين پرتاب و سرعت بسيار زياد در هنگام ورود به جو و خروج از آن ارتعاشات آكوستيكي فراواني پديد مي آيد، كه عايق بندي سراميكي مخصوصي اين ارتعاشات را دمپ مي كند. از طرفي ديگر، قسمت اعظم نيروي بالا برنده (ليفت) در شاتل ها توسط اختلاف فشار سطوح آيروديناميكي تامين مي شود. حضور سراميك ها باعث در اختيار داشتن سطوح آيروديناميكي صاف و صيقلي مي شود كه اين موضوع موجب ايجاد نيروي بالا برنده (ليفت) بسيار بالايي مي شود. بارگذاري هاي حرارتي در سطوح مختلف بدنه شاتل متفاوت است. از اين رو برحسب ميزان حرارتي كه در هر قسمت توليد مي شود عايق بندي هاي مخصوص همان رنج دمايي طراحي شده است. از آن جمله مي توان به عايق بندي هاي RCC-AFRSI- FRSI-LRSI-HRSI اشاره كرد. پارامترهاي طراحي سيستم محافظت حرارتي شاتل، مراحل ساخت، نصب و نگهداري آن به تفصيل در اين مقاله مورد بحث قرار گرفته اند.
سيستم حمل و نقل شاتل فضايي (STS) به منظور فراهم كردن روشي براي حمل بارها و سرنشينان در مدار كم ارتفاع زمين به وجود آمد. يكي از مسايل اساسي در پيشرفت اين امر، طراحي يك سيستم محافظت حرارتي (TPS) قابل استفاده مجدد بود كه نه تنها براي گرماي توليد شده در حين بازگشت به جو، بلكه براي پرتاب و فرود آمدن بارهاي مكانيكي نيز طراحي شده بود. قسمت اعظم (TPS) شامل چندين هزار كاشي فيبري سيليكاي خالص است كه با روكش سراميكي به زير ساختارهاي آلومينيمي متصل مي شوند.
سيستم شاتل شامل چهار عنصر اصلي است. بوسترهاي موشك هاي سوخت جامد (SRB) موتورهاي اصلي شاتل فضايي (SSME)، تانكر (ET) و فضاپيماي شاتل فضايي (SSO). سيستم طوري طراحي شده است كه بتواند با ۲۹ هزار و ۵۰۰ Kgatm، به مدار برود و با ۱۴ هزار و ۵۰۰ Kgatm برگردد.
در اين مقاله ابتدا سيكل كلي ماموريت يك شاتل فضايي و سپس با توجه به بارگذاري هاي حرارتي، سيستم محافظت حرارتي كه شامل كاشي هاي مختلف است مورد بررسي قرار گرفته است. نزديك به ۸۰ درصد نيروي پيش رانش را كه براي پرتاب، بوسترهاي موشك هاي سوخت جامد فراهم مي كنند و ۲۰ درصد باقيمانده توسط موتورهاي اصلي تامين مي شود كه با سوزاندن هيدروژن و اكسيژن موجود در تانكر، اين كار را انجام مي دهد. فضاپيما به صورت عمودي به همراه يك تانكر كه شامل فضانوردان، موتورهاي اصلي و بارهاست از زمين جدا مي شود. طي وارد شدن به جو دماي قابل تحمل در زير بدنه ۱۲۶۰ درجه سانتي گراد و در لبه هاي فرار و نوك دماغه به ۱۴۹۰ درجه سانتي گراد مي رسد. در ارتفاعي تقريباً به اندازه ۴۷ هزار متر سرعت فضاپيما تا هشت برابر سرعت صوت كاهش مي يابد و از بيشترين بازدهي حرارتي عبور مي كند. در ۱۵۶ هزار و ۵۰۰ متر فضاپيما به محدوده پرواز وارد مي شود و مي تواند به طور آيروديناميكي براي نشستن مانور دهد، مانند گلايدر.
براي رسيدن به كمترين وزن فضاپيما ۷۵ هزار كيلوگرم وزن خالص لازم است كه از مواد سازه اي با بالاترين بازدهي استفاده شود. همچنين براي رسيدن به حداقل وزن و هزينه سازه اصلي فضاپيما بايد از آلومينيم ساخته شود. در بسياري از قسمت ها مانند درها و قسمت هايي از سيستم مانور به منظور دستيابي به كمترين وزن سازه از اپوكسي - گرافيت استفاده مي شود. در اين حالت آلومينيم و گرافيت محدود به ۱۷۵ درجه سانتي گراد هستند تا كيفيت آنها پايين نيايد.
در طراحي شاتل ها از تكنيك هاي گوناگوني براي محافظت از سوختن يك قطعه استفاده مي شد. بعضي از اين تكنيك ها شامل استفاده از چاه گرمايي و بعضي هم شامل استفاده از فلزات كاهنده بودند كه مي سوختند و تبخير مي شدند. در نتيجه هيچ كدام از شاتل ها قابل استفاده مجدد نبودند و براي رفع اين مشكل متخصصان توانستند از مواد و تكنيك هايي استفاده كنند كه شاتل ها را محافظت كند.
سيستم محافظت حرارتي شامل مواد گوناگون كاربردي، براي حفاظت پوسته در دماهاي قابل قبول است. به علاوه آنها قابليت استفاده مجدد در ۱۰۰ ماموريت را در صورتي كه مجدداً بازسازي شوند، دارند. همچنين اين مواد در محدوده دمايي ۱۵۵- درجه سانتي گراد تا دماي بازگشت به جو كه حدود ۱۶۵۰ درجه سانتي گراد است، قابل استفاده هستند. به طور كلي (TPS) از يك پوشش عايق تشكيل شده است. ممكن است عايق ها از يك پوشش قابل انعطاف يا از كاشي هاي قالب بندي شده باشند. به هر حال، در بعضي قسمت هاي وسيله (مخصوصاً لبه حمله) ممكن است گرما و فشار خيلي شديد باشد، به طوري كه كاشي ها نتوانند محافظت كافي را فراهم كنند. در اين قسمت ها، كامپوزيت هاي مقاوم دما بالا و محكم مستقيماً با سازه هاي آيروديناميكي به كار رفته اند. اين سطوح داغ نيروي بالابرنده اي را به بدنه و بال ها مانند يك نيروي عمود بر لبه حمله انتقال مي دهند و به علاوه از ضربه شديد هنگام ورود به جو جلوگيري مي كنند.
همچنان كه ذكر شد (TPS) سيستمي است كه شامل مواد ويژه اي جهت پايداري در دماهاي بالاست كه اين مواد به شرح زير هستند:
عايق سطح قابل استفاده مجدد(RSI) : اين گروه از سه ماده و دو رنگ هستند. بيشتر قسمت هاي بال ها و چرخ هاي شاتل را پوشش مي دهند. اين سه ماده كامپوزيت هايي هستند كه اكثراً از الياف سيليكا همراه با مواد افزودني گوناگون ساخته شده اند. عمليات حرارتي در اين روش شبيه پختن سراميك هاست كه مي تواند با شيشه هاي سفيد يا سياه پوشانده شود، كه اين كاشي ها در دو نوع (LRSI) و (HRSI) به شرح زير هستند:
۱ـ كاشي دما پايين براي عايق كاري سطح (LRSI) كه اين كاشي ها به رنگ سفيد هستند و در قسمت معيني از جلو، وسط، عقب بدنه، اطراف اتاق خلبان، دم قائم، بالاي بال و پوسته استفاده شده اند. اين كاشي ها مناطقي را كه دما زير ۶۵۰ درجه سانتي گراد است پوشش مي دهد و نور خورشيد را منعكس مي كنند.
كاشي هاي (LRSI) از ساختمان سيليكا با درجه خلوص ۸/۹۹ درصد هستند. ضخامت توسط برخورد بار گرمايي طي وارد شدن به جو معين مي گردد. يك پوشش سفيدنوري و مقاوم به رطوبت با ضخامت هاي ۱۰ ميل در بالا و اطراف بدنه فضاپيما به كار مي رود. اين پوشش از تركيبات سيليكا همراه با اكسيد آلومينيم ساخته شده است.
۲ـ كاشي دما بالا براي عايق كاري سطح (HRSI) كه به رنگ سياه هستند و مناطقي را كه حداكثر دما بين ۶۵۰درجه سانتي گراد تا ۱۲۶۰ درجه سانتي گراد است، را پوشش مي دهند و كمك مي كنند تا گرما در مدت بازگشت به جو ساطع شود. در مناطقي بر روي قسمت بالايي بدنه جلويي فضاپيما، در اطراف پنجره هاي بدنه جلويي (درست در قسمت پايين وسيله كه (RCC) استفاده نمي شود) بخش هاي سيستم مانور مخازن (RCS) و پوسته محافظ سيستم كنترل واكنش، لبه حمله و لبه فرار سكان عمودي، مناطق ثابت بال، لبه شهسام و سطح flap بدنه بالايي مورد استفاده قرار مي گيرند.
كاشي هاي (HRSI) از سيليكاي چگالي پايين و با درصد خلوص بالا و ۸/۹۹ درصد فيبر آمورف (فيبر از ماسه معمولي با ضخامت يك تا دو ميل نتيجه مي شود) عايق و به وسيله يك اتصال سراميكي به جسم صلب تبديل شده است. زيرا ۹۰ درصد كاشي ها توخالي هستند و ۱۰ درصد باقيمانده ماده است.
اين كاشي ها در ضخامت هاي ۵/۲ تا ۵/۱۲ سانتي متر تغيير مي كند. ضخامت هاي متغير به وسيله بار حرارتي در هنگام ورود به جو به وجود مي آيند. به طوركلي كاشي هاي (HRSI) در سطوح جلويي فضاپيما ضخيم تر هستند و در قسمت انتهايي باريك تر.
آخرین ویرایش:
