سامان سياح
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.
اين كاشي ها در سايزها و شكل هاي مختلفي در قسمت هاي بيروني فضاپيما هستند و در شرايط سرد معلق در مدار، شوك هاي گرم و سرد مكرر حرارتي و محيط هاي آكوستيك در حين پرواز دوام مي آورند. براي مثال كاشي هاي (HRSI) در كوره ۱۲۶۰ درجه سانتي گراد شكل داده مي شود و مي تواند در آب سرد فرو رود، بدون آن كه گرماي سطح به سرعت از بين برود. به طوري كه يك كاشي روكش دار مي تواند با دست بدون دستكش، فقط چند ثانيه بعد از بيرون آمدن آن از درون كوره در حالي كه هنوز قرمز است، گرفته شود. دقت شود كه اين كاشي ها نمي توانند در زير تغيير شكل بار بدنه مقاومت كنند. بنابراين ايزولاسيون تنش بين كاشي ها و سازه فضاپيما ضروري است. اين ايزولاسيون به وسيله يك لايه ايزولاسيون كرنشي (SIP) فراهم مي شود. (SIP)ها، كاشي ها را از تغيير شكل هاي ساختاري فضاپيما، تحريك صوتي و انبساط و شكست ناشي از تنش به دور نگه مي دارد. (SIP)ها، عايق هاي ساخته شده از ماده نمد (Nomex) هستند كه در ضخامت هاي ۲۲۵/۰ ، ۳/۰ يا ۴/۰ سانتي متر فراهم مي شوند. (SIP)ها به كاشي متصل مي شوند. (SIP) و مجموع كاشي ها به ساختمان فضاپيما متصل هستند.
تا زماني كه انبساط و انقباض حرارتي در مقايسه با سازه فضاپيما بسيار كم باشد، لازم است كه شكاف هاي ۲۵ تا ۶۵ ميل كه بين آنها قرار دارند براي جلوگيري از تماس كاشي به كاشي از بين بروند. عايق بندي مواد نمد مي بايستي در كف شكاف هاي بين كاشي ها قرار گيرد كه به عنوان يك ميله پركننده از آن استفاده مي شود. مواد، در يك ضخامت مناسب براي (SIP) فراهم شده و به نوارهايي به عرض ۸۷۵/۱ سانتي متر بريده مي شوند و به سازه مي چسبند. ميله پركننده مقاومت حرارتي حدود ۴۲۵ درجه سانتي گراد در قسمت بالا دارد.
ديگر كاشي ها با عناوين عايق كامپوزيتي شكست فيبري (FRCI) و عايق فيبري يك پارچه مستحكم شده (TUFI) شناخته مي شوند كه سطوح را در درجه حرارتي بين ۶۵۰ تا ۱۲۶۰ درجه سانتي گراد محافظت مي كنند و در ميزان كمي استفاده مي شوند. (FRCI) در قسمت هاي معدود و (TUFI) بيشتر در قسمت عقب فضاپيما، نزديك موتور استفاده مي شود. كاشي هاي (FRCI) به وسيله مركز تحقيقات ايمز ناسا توسعه يافته است.
(FRCI-12 HRSI) كاشي هايي هستند كه از يك كاشي با استحكام بالا كه با افزودن AB312 (الياف بريد سيليكات آلومينيم) كه نكستل ناميده شده است، به دست مي آيند. با افزودن اين الياف كاشي (FRSI-12 HRSI) به كاشي سيليكاي خالص آبدار تبديل مي شوند. الياف سيليكاتي خالص را در طول سينترينگ در دماي بالا جوش مي دهند. مواد مقاوم الياف كامپوزيتي حاصله شامل ۲۰ درصد نكستل و ۸۰ درصد الياف سيليكا هستند كه كلاً خواص فيزيكي متفاوتي از كاشي هاي سيليكا با درجه خلوص ۸/۹۹ درصد دارند. نكستل با يك ضريب انبساط، شبيه ميله تقويت كننده عمل مي كند. پوشش شيشه ضربه گيرمشكي كاشي هاي (FRCI-12) فشرده مي شوند تا اين كه به شكل عادي خود باز گردند و حساسيت روكش به ترك خوردگي در طول عمليات و مانورها كاهش يابد.
همه كاشي ها ترد هستند و اگر تحت تاثير تنش قرار گيرند، ترك مي خورند. كاشي ها نمي توانند مستقيماً از آلومينيم ساخته شوند، زيرا ساختار آلومينيمي فضاپيما به علت تغييرات دما منقبض و منبسط مي شوند و زماني كه دماي فضاپيما بالا مي رود، آنها يا مي شكنند يا ترك مي خورند. بنابراين كاشي ها بايد از يك لايه چسب سيليكوني و يك لايه تركيبات براي اتصال پوسته آلومينيمي ساخته شوند.
طي سال ها، خيلي از كاشي ها جايگزين مواد شناخته شده از قبيل كاشي هاي (FRSI) و (AFRSI)، عايق سطح انعطاف پذير و عايق سطح انعطاف پذير پيشرفته شدند. (FRSI) و (AFRSI) قسمتي از شاتل فضاپيما را كه دماي آنها ۳۷۰ درجه سانتي گراد هنگام ورود به جو يا ۴۰۰ درجه سانتي گراد در هنگام بالا رفتن تجاوز نمي كنند، پوشش مي دهند كه شامل اطراف بدنه و بالاي آن، درهاي قسمت بار، بالاي بارها و سيستم مانور مدار در نزديكي دم هستند. (FRSI) و (AFRSI) نرم هستند وگاهي از آنها به عنوان روكش حرارتي ياد مي شود.
قسمت هاي ديگر فضاپيما كه در معرض شديد گرما قرار دارند، از قبيل لولا براي سطح كنترل پرواز، از آلياژ (Inconel) ساخته شده است.
طراحان شاتل در هنگام طراحي فضاپيما توجه زيادي به استفاده از مواد پركننده، براي پركردن فضاي خالي بعضي مناطق دارند. همچنين آنها از مواد كاهنده در برخي از سطوح استفاده مي كنند. اين مواد در مدت برگشت به جو مي سوزند و بعد از هر پرواز جايگزين مي شود.
پرتاب شاتل فضايي، گهگاه باعث از دست رفتن كاشي ها در مدت بلند شدن مي شود. اين مسئله به دليل توليد صداي شديد موتور شاتل در اثر نيروي آيروديناميكي در مدت بالا رفتن است. در واقع موج هاي صوت كاشي هاي شل را مي لرزاند. هيچ كدام از اين كاشي هاي از دست رفته، فضانورد را به مخاطره نمي اندازد. اما مهندسان مواد چسبنده قوي تري به كار بردند و اين امر به منظور اطمينان از به هم چسبيدن كاشي هاست.
علاوه بر كاشي هاي بيروني، فضاپيما عايق هاي دروني زيادي هم دارد؛ مانند (Q-felt) كه نوعي نمد است. اين ماده از وارد شدن حرارت اضافي كاشي ها، كه به داخل وسيله نفوذ مي كند جلوگيري مي كند. كاشي هاي (AFRSI) جايگزين قسمت عظيم كاشي هاي (LRSI) مي شود. (AFRSI) شامل لايه سيليكا با چگالي پايين است كه تركيبي از سيليكا خلوص بالا و ۸/۹۹ درصد الياف سيليكا آمورف است.
اين لايه ميان پارچه سيليكاي بافته شده دما بالاي بيروني و بافت شيشه اي دما پايين داخلي قرار گرفته است. چگالي كامپوزيت (AFRSI) تقريباً در حدود ۱۲۰ تا ۱۳۵
(kg/m3) و ضخامت از ۱۲۵/۱ تا ۳۷۵/۲ سانتي متر تغيير مي كند. ميزان ضخامت به وسيله برخورد بار حرارتي به روكش، طي وارد شدن به جو معين مي گردد. پوشش ها مستقيماً توسط چسب سيليكوني با ضخامت ۵/۰ سانتي متر به فضاپيما مي چسبند. (FRSI) از همان مواد نومكس مانند (SIP) است. تغييرات ضخامت (FPSI) از ۴/۰ تا يك سانتي متر، كه وابسته به مواجهه با بار حرارتي در مدت داخل شدن به جو است. (FRSI) نيز مانند (AFRSI) توسط چسب سيليكوني با ضخامت ۵/۰ سانتي متر مستقيماً به فضاپيما چسبيده است. پوشش الاستومر سيليكوني با رنگ دانه سفيد براي ضدآب كردن نمد استفاده مي شود و حرارت مورد نياز و خواص نوري را بهبود مي بخشد و ۵۰ درجه از سطوح فوقاني فضاپيما را پوشش مي دهد. پوشش هاي (AFRSI) خواص چكش خواري بالا و دوام زيادي دارند. همچنين مناطقي را كه دمايي كمتر از ۶۵۰ درجه سانتي گراد دارند تحت محافظت قرار مي دهند.
پس از اولين پرتاب (فضاپيماي كلمبيا) از مركز بين المللي راكول، يك عايق سطح متحرك ارتقا يافته، به دست آمد. اين مواد شامل يك ساختار عايق بندي بدون لايه از كامپوزيت ها هستند كه بين دو لايه از سازه سفيد رنگ در حركتند. الياف لايه اي كوارتز بين تار و پود الياف بافته شده كوارتز خارجي و تار و پود شيشه داخلي گير كرده است كه مانند پتو با ريسمان شيشه اي و كوارتزي به هم بخيه شده اند. تار و پود خارجي پوشش سراميكي اضافه اي دارد كه مستقيماً توسط چسب سيليكوني به سازه چسبيده اند. (AFRSI) به منظور تشكيل يك فضاي بدون لايه در پروژه هاي ديسكاوري و آتلانتيس مورد استفاده قرار گرفته اند و جايگزين مقدار زيادي از كاشي هاي (LRSI) شده اند.
الياف كربني تقويت شده با كربن(RCC) : در لبه حمله بال سرپوش جلوي دماغه، قسمت جلوي فضاپيما و ساختار مخزن خارجي آن به كار مي روند. (RCC) هنگام بازگشت، مناطقي را كه دمايي از ۱۲۶۰ درجه سانتي گراد تا ۱۶۳۰ درجه سانتي گراد دارند، محافظت مي كند.
توليد (RCC) با يك پارچه ابريشمي گرافيتي و تلقيح شده با رزين اسيد فنيك صورت مي گيرد. اين الياف تلقيح شده به صورت لايه لايه به كار گذاشته و در يك اتوكلاو قرار داده مي شوند. اين پارچه با شوره الكل در مخزني از خلاء تلقيح مي شود كه مجدداً در تبديل شوره الكل به كربن به عمل آورده مي شود. اين فرآيند سه بار تكرار مي شود تا اين كه كربن ـ كربن با خواص مطلوب به دست آيد.
براي فراهم كردن اكسايش پايدار، لايه خارجي (RCC) به كاربيد سيليكون تبديل مي شود. (RCC) فشرده شده، در دستگاه تقطير با يك ماده فشرده كه مخلوطي از آلومينيم، سيليكون و كاربيد سيليكون است، ساخته شده است. دستگاه تقطير در يك كوره جا مي گيرد و با تغييري كه در آرگون با يك دوره زماني طبقه بندي شده حرارتي تا ۱۲۶۰ درجه سانتي گراد جايگزين مي شود، پوشيده مي گردد. عكس العمل نفوذ در قسمت فشرده خشك كربن ـ كربن كه در آن لايه خارجي كربن ـ كربن به كاربيد سيليكون تبديل مي شود، رخ مي دهد.
عايق حرارتي كلاهك دماغه از يك پوشش كه از فيبرهاي سراميكي و سيليكايي هستند ساخته شده است. كاشي هاي (HRSI) و (FRCI) براي محافظت بدنه جلويي فضاپيما از پرتوهاي حرارتي براي سطح خارجي داغ (RCC) استفاده مي شوند. طي عمليات پرواز، منطقه بين كلاهك دماغه و لبه هاي درهاي سيستم چرخ هاي فضاپيما، در حين صعود و افزايش حرارت در مدت بازگشت خساراتي مي بيند. كاشي هاي (HRSI) در اين منطقه با (RCC) جايگزين مي شوند.
البته تمامي اين توصيفات تنها بخشي از طراحي هاي فوق مدرن مهندسان تراز اول هوافضاست كه به صورت مشروح براي شما علاقه مندان توضيح داديم.