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Text File  |  1993-02-05  |  11KB  |  220 lines

  1. "6_2_14.TXT" (11109 bytes) was created on 03-30-89
  2.  
  3. ORBITER THERMAL PROTECTION SYSTEM
  4.  
  5.      When a manned space vehicle re-enters the Earth's atmosphere,
  6. air friction can produce external surface temperatures as high as
  7. 3,000 degrees Fahrenheit -- well above the melting point of steel.
  8. Special thermal barriers are required to protect the vehicle and its
  9. occupants.
  10.  
  11.      Earlier manned spacecraft, such as Mercury, Gemini and Apollo,
  12. were not maneuverable and followed ballistic re-entry trajectories,
  13. parachuting to a watery landing in the ocean. The space capsules were
  14. protected during re-entry by shedding layers of a heavy, resinous
  15. heat shield through a process called ablation. The spacecraft were
  16. not reusable.
  17.  
  18.      For the Space Shuttle orbiter, a different kind of heat
  19. protection system was needed. With a design life of about 100
  20. missions, this revolutionary new space vehicle required a
  21. lightweight, reusable Thermal Protection System composed of entirely
  22. new materials.
  23.  
  24.      NASA selected four basic materials for the original design used
  25. on Columbia, the first operational orbiter. Each was designed to
  26. insulate the orbiter's aluminum and/or graphite epoxy skin against a
  27. wide range of extreme temperatures, including a low of minus 250 F.
  28. The basic materials were Reinforced Carbon-Carbon, Low- and High-
  29. Temperature Reusable Surface Insulation tiles, and Felt Reusable
  30. Surface Insulation blankets.
  31.  
  32.      Subsequent design improvements included use of advanced
  33. materials in certain areas. These materials are Flexible Insulation
  34. Blankets and Fibrous Refractory Composite Insulation.
  35.  
  36.      There are approximately 24,300 tiles and 2,300 Flexible
  37. Insulation Blankets on the outside of each orbiter.
  38.  
  39.      The orbiter's nose cone (including the chin panel) and the
  40. leading edge of its wings are the hottest areas during re-entry. When
  41. maximum heating occurs, about 20 minutes before touchdown,
  42. temperatures on these surfaces reach as high as 3,000 F.
  43.  
  44.      Reinforced Carbon-Carbon (RCC) is a light gray, all-carbon
  45. composite. RCC, along with inconel foil (metal) insulators and quartz
  46. blankets, protect the orbiter's nose, chin, and wing leading edges
  47. from the highest expected temperatures and aerodynamic forces. It
  48. also is used in the arrowhead area at the forward section of the
  49. orbiter where the external tank is attached. RCC is used there for
  50. shock protection during pyrotechnic separation of the external tank
  51. from the orbiter.
  52.  
  53.      Fabrication of the RCC begins with graphite cloth which is
  54. saturated with a special resin. Layers of the cloth are then
  55. laminated and cured, after which they are heat-treated to convert the
  56. resin into carbon.
  57.  
  58.      After further processing, the material is treated with a mixture
  59. of alumina, silicon and silicon carbide to give it a grayish,
  60. oxidation-resistant coating, and then heated in a furnace. The
  61. orbiter's nose cap is fabricated as one piece while each of the wings
  62. has 22 separate RCC panels and T-seals on the leading edge. Each
  63. panel is affixed to the orbiter's skin by mechanical attachments.
  64.  
  65.      About 70 percent of an orbiter's external surface is shielded
  66. from heat by a network of more than 24,000 tiles formed from a silica
  67. fiber compound. More advanced materials such as Flexible Insulation
  68. Blankets have replaced tiles on some of the upper surfaces of the
  69. orbiter.
  70.  
  71.      Coated black tiles--known as High Temperature Reusable Surface
  72. Insulation (HRSI)--cover the lower surface of the orbiter, areas
  73. around the forward windows, upper body flap, the base heat shield,
  74. the "eyeballs" on the front of the Orbital Maneuvering Syste&
  75. pods, and the leading and trailing edge of the vertical stabilizer
  76. and rudder speed brake. The black tiles are located where
  77. temperatures can reach as high as 2,300 F.
  78.  
  79.      Coated white tiles--known as Low Temperature Reusable Surface
  80. Insulation (LRSI)--are designed to insulate the spacecraft from
  81. temperatures up to 1,200 F. LRSI tiles were originally used
  82. extensively, but are now replaced in most areas by thermal insulation
  83. blankets. LRSI is still used on the upper surface of the forward
  84. fuselage above the crew windows and on some parts of the OMS pods.
  85.  
  86.      Tiles vary in size, thickness and density. HRSI tiles are
  87. generally 6 inches square; thickness varies from 1 to 5 inches. They
  88. come in different densities: 9- and 22-pound-per-cubic-foot tiles.
  89. LRSI tiles are larger and thinner, generally 8 inches square and from
  90. 0.2 to 1 inch thick. LRSI tiles come in 9- and 12-pound-per-cubic-
  91. foot densities.
  92.  
  93.      The thermal properties of the tiles are dependent on their very
  94. high purity. The manufacture of both types of tiles begins with
  95. fibers of pure white silica refined from common sand. The fibers are
  96. mixed with deionized water and other chemicals and poured into a
  97. plastic mold where excess liquid is squeezed out of the mixture.
  98.  
  99.      The damp blocks are dried in the nation's largest microwave oven
  100. at the Sunnyvale, Calif., plant of Lockheed Space Operations Co.
  101. Then, they are sintered in a 2,350 F oven. Sintering fuses the fibers
  102. without melting them.
  103.  
  104.      Rough cutting and precision sizing of the tiles are done with
  105. saws. Final shaping of the surface is accomplished with 3- and 5-axis
  106. numerically controlled milling machines using diamond-tipped cutters.
  107. The tiles are then spray-coated, glazed and waterproofed. The
  108. processing and inspection of each tile is documented, and individual
  109. tiles are traceable back to material lots.
  110.  
  111.      The two types of tiles are the same except for their coating,
  112. which is primarily borosilicate glass. Chemicals are added to give
  113. the tiles different colors and heat rejection capabilities.
  114.  
  115.      Surface heat dissipates so quickly that a tile can be held by
  116. its corners with a bare hand only seconds after removal from a 2,300
  117. degrees oven, while the center of the tile still glows red with heat.
  118.  
  119.      Improvements to the Thermal Protection System have reduced the
  120. amount of maintenance required after each mission. In many cases,
  121. scratches and gouges on the tiles can be repaired. A new assembly and
  122. refurbishment facility for thermal protection materials opened in
  123. 1988 at Kennedy Space Center. Two other tile assembly and
  124. refurbishment facilities are at Lockheed's Sunnyvale plant, and at
  125. Rockwell International's Palmdale, Calif., plant.
  126.  
  127.      The tiles are delicate and have to be protected from the
  128. stresses on the orbiter's structure during flight. Launch blasts,
  129. aerodynamic pressures, steering forces, vibration and acceleration
  130. cause the vehicle body to bend and shift slightly during launch. In
  131. the cold soak of space, the vehicle shrinks slightly, only to expand
  132. again during re-entry.
  133.  
  134.      To prevent damage to the tiles, Strain Isolation Pads -- a layer
  135. of nylon felt Nomex (flame-retardant material) -- are used between
  136. the tiles and the orbiter's surface. The pads are bonded to the
  137. tiles, as well as to the skin of the Shuttle, with RTV, a
  138. room-temperature vulcanizing silicone adhesive. The tile surface
  139. bonded to the pads is densified with silica-type solutions for added
  140. strength.
  141.  
  142.       Another type of protective blanket material is Felt Reusable
  143. Surface Insulation (FRSI) blankets. These blankets protect the
  144. orbiter surfaces from temperatures between 350 and 700 F. The
  145. insulation is coated with a white silicone rubber paint. FRSI once
  146. covered about 25 percent of the vehicle. Now, the material is used
  147. only on the upper section of the payload bay doors and the inboard
  148. sections of the wing upper surface.
  149.  
  150.       Most of the LRSI tiles and FRSI pads have been replaced by
  151. Flexible Insulation Blankets (FIBs), composed of a waterproofed,
  152. quilted fabric with silica felt between two layers of glass cloth
  153. sewn together with silica thread. Each FIB weighs 4.9 kilograms or 11
  154. pounds per cubic foot.
  155.  
  156.       The blankets have better durability, and cost less to make and
  157. install than the tiles. They are used on the upper sidewalls of the
  158. orbiter's fuselage, sections of the payload bay doors, most of the
  159. vertical stabilizer and rudder speed brake areas, the outboard and
  160. aft sections of the upper wing, parts of the elevons, and around the
  161. observation windows.
  162.  
  163.      Some of the HRSI tiles have been replaced by Fibrous Refractory
  164. Composite Insulation (FRCI-12), which are less dense than the
  165. 22-pound-per-cubic-foot HRSI tiles but comparable in strength. They
  166. are used around penetrations and leading edge areas.
  167.  
  168.       Other thermal materials used are the filler bar and gap fillers
  169. which seal gaps between tiles and between the tiles and t&
  170. structure. The seals protect the aluminum and/or graphite epoxy outer
  171. skin of the orbiter by preventing the influx of hot plasma gas. The
  172. gap fillers are envelopes of ceramic fiber cloth stuffed with a
  173. resilient ceramic filler batt, and sometimes with a metal foil. The
  174. filler bar consists of strips of Nomex felt coated with RTV, and are
  175. part of the assembly method used for tiles.
  176.  
  177.       A combination of white and black pigmented silica cloth make up
  178. thermal barriers, and some gap fillers are installed around
  179. penetrable areas such as main and nose landing gear doors, the
  180. orbiter's side hatch, umbilical doors, elevons, forward Reaction
  181. Control System module and thrusters, the OMS pods, and gaps between
  182. tiles in high differential pressure areas.
  183.  
  184.      Fused silica is used for the outer windows in the orbiter. Metal
  185. is used for the forward reaction control system fairings and elevon
  186. seal panels on the upper wing elevon interface.
  187.  
  188.      All of the major ingredients in the Shuttle's external Thermal
  189. Protection System--tiles, Flexible Insulation Blankets and Felt
  190. Reusable Surface Insulation--are bonded to the orbiter with the RTV
  191. adhesive. The cement will withstand temperatures as high as 550 F,
  192. and as low as minus 250 F without losing its bond strength.
  193.  
  194.      After each flight, the orbiter's external Thermal Protection
  195. System is rewaterproofed. Dimethylethoxysilane is injected into the
  196. tiles through an existing hole in the surface coating with a
  197. needleless gun, and the blankets are injected by a needle gun. The
  198. procedure must be done each time because the waterproofing material
  199. burns out at 1,100 F., thus exposing the outer surface of the thermal
  200. system to water absorption.
  201.  
  202.      There are numerous and far-ranging possibilities for spinoffs or
  203. commercial applications of Thermal Protection System materials. For
  204. example, tiles can be ideal as a jeweler's soldering base because
  205. they absorb so little heat from a torch, do not contaminate precious
  206. metals and are soft enough to hold items to be soldered. Because of
  207. their purity, tiles can be an excellent high-temperature filter for
  208. liquid metals. Carbon-carbon pistons have been shown to be lighter
  209. than aluminum pistons and increase the mechanical and thermal
  210. efficiencies of internal combustion engines.
  211.  
  212.      High costs at this time are a deterrent to widespread
  213. application of the techniques and materials of the Thermal Protection
  214. System. A single coated tile can cost as much as $2,000. But
  215. technological advances may make these pure, lightweight thermal
  216. materials the new insulators of the future.
  217.  
  218.                               The End
  219.  
  220.