Astronomski magazin - HOME

am@astronomija.co.rs
 
 
Astronautika
 

Sadržaj AM
 

 
NSPoint

 
astronautika
Izolacija glavnog šatlovog tanka
 
Dipl. ing. Drago I. Dragović
dragovic@net.yu

Svima je još uvek u sećanju grozna tragedija koja je 1. februara 2003. godine zadesila Space Shuttle "Columbiju". Zvanično je utvrđeno da je uzrok nesreće bio oštećenje izolacionih pločica u korenu levog krila Orbitera, a koje je nastalo udarcem komada zaštitne pene kojom je obložena površina šatlovog spoljnjeg rezervoara (ET). Gledao sam na TV da je komad pene bio velik kao vekna hleba i da je i pored svoje lakoće, usled velike brzine[1] ipak bio kadar da probije termo–zaštitni oklop letilice i direktno izazove smrt svih 7 članova posade.

Nakon tog događaja, mnoga pitanja su postavljena NASA–i u vezi tog zaštitnog penastog omotača. Nekoliko njih su veoma karakteristična za razumevanje svih problema koja se tiču te teme. Obradiću samo neka. Prvo neka bude: Zašto je uopšte veliki rezervoar šatla prekriven penom?

Space Shuttle se sastoji od tri velike celine, ili komponente. Prva je sâm Orbiter, čiji je zadatak da ponese posadu u vasionu i vrati je na Zemlju. Drugu komponentu čine dva bustera na čvrsto gorivo (SRB), koji obezbeđuju glavni potisak potreban da bi Orbiter stigao u orbitu. Ono što te komponente drži zajedno jeste spoljnji rezervoar (External Tank – ET). Njegov primarni zadatak je da nosi tečno gorivo [2] koje je potrebno za rad tri glavna raketna motora Orbitera. Rezervoar je jedini deo navedenog ansambla koji nije predviđen za ponovno korišćenje. Nakon što se glavni motori orbitera ugase, spoljni rezervoar, dugačak 46,78 m, se odbacuje, da bi u povratku na Zemlju, negde iznad Havaja, potpuno izgoreo [3].

 Komponente Space Shuttlea

Tank se sastoji od tri glavna odeljka. Na vrhu se nalazi tečni kiseonik pod pritiskom (~2,5 atm), koji se koristi kao oksidator za glavne motore. Na dnu se nalazi veliki rezervoar tečnoh vodonika (~3,3 atm), koji kao gorivo sagoreva u glavnim motorima. U sredini je zona dužine 6,86 metara, koju nazivaju "intertankom", a koji sadrži različite elektronske instrumente, detektore i sisteme za rad i regulisanje rezervoara sa gorivom.

 Šema odeljaka spoljnjeg rezervoara

I kiseonik i vodonik su pri standardnoj temperaturi i pritisku u gasovitom stanju. Pošto im je tada gustina prilično mala, količine tih supstanci potrebnih za Space Shuttle bi zauzimale ogromne zapremine. Zato jedini način da se ponese dovoljno goriva u razumno velikim rezervoarima jeste da se poveća gustina tih gasova. To se postiže povećavanjem njihovog pritiska i hlađenjem, sve dok ne pređu u tečno stanje. To se za tečni kiseonik postiže na temperaturi od –184° C, a za tečni vodonik na –253° C. Takve tečnosti moraju da zadrže visok pritisak i veoma nisku temperaturu, inače bi proključale i vratile se u gasovito stanje.

Kada pri lansiranju šatl krene kroz atmosferu, spoljnja površina rezervoara se sve više zagreva usled trenja vazduha koji velikom brzinom prolazi preko letilice. Zbog toga je spolja potreban poseban sloj toplotne izolacije, koji će omogućiti održavanje stalne unutrašnje temperature. Bez nje, ohlađeno gorivo bi se zagrejalo i počelo da prelazi u gasovito stanje, da povećava pritisak unutar rezervoara i uskoro izazvalo uništavajuću eksploziju. Tu toplotnu izolaciju čini 2,5 cm debeo sloj poliizocijanuratne pene kojom je premazana čitava spoljnja površina tanka. Ta zaštita je ukupno teška 2,19 tona.

Ova izolacija je jako važna i zbog sprečavanja hvatanja leda na površini tanka dok se na rampi čekaju poslednji trenuci pred lansiranje. Led je oduvek bio jedan od najvećih strahova za inženjere NASA, jer tokom lansiranja uvek može lako da otpadne i ošteti Orbiter. Komadi leda znaju da budu vrlo teški i gusti, tako da bi svaki udarac u izolacione ploče na napadnim ivicama Orbitera mogao lako da ošteti te kritične površine.

Jedno od sledećih pitanja koje je postavljano NASA–i u vezi sa kritičnom izolacijom je bilo: Zašto se odustalo od premaza zaštitnom bojom, i da li bi to pomoglo da se pena ne ljušti sa tanka tokom lansiranja.

Tačno je da su se na samom početku letova Space Shuttlova spoljni rezervoari prefarbavali u belo. To se radilo isključivo iz estetskih razloga i napušteno je već nakon prve dve misije. Izbacivši farbanje, NASA je ne samo uštedela koji dolar, već i oko 455 kg tereta, na uštrb čega je mogla da poveća korisni teret a time i zaradu.

Lansiranje prvog Space Shuttlea sa ofarbanim spoljnjim rezervoarom. Bio je to STS–6 "Chellenger", lansiran 4. aprila 1983. godine. Misija je trajala 5 dana, 2 sata i 14 minuta.

Da bi uopšte saznali da li premaz boje može da spreči otpadanje izolacije, prvo je potrebno bolje proučiti razloge ljuštenja tog sloja sa tanka. Većina ljudi je uverena da je uzrok tome vetar koji se stvara oko rakete i koji jednostavno cepa izolaciju. Taj tip odvajanja se naziva athezivnom slabošću, jer podrazumeva da je izolaciona pena neprikladno zalepljena na goli aluminijumski rezervoar. Međutim, NASA–ina ispitivanja su utvrdila da vrlo malo (ili nimalo) pene otpada zbog problema sa athezijom.

Problem zapravo nastaje zbog nečeg drugog, a to se naziva kohezivnom slabošću. Drugim rečima, raspada se sâma pena. Kohezivni problemi nastaju usled praznina koje tokom procesa njenog nanošenja na tank nastaju u unutrašnjosti izolacije. Praznine su u stvari vazdušni "džepovi" zarobljeni unutar pene. Pošto navedene praznine nastaju na nivou mora, i vazduh unutar njih je na tom pritisku. Kada Space Shuttle krene u vis, spoljnji pritisak neprestano opada, što izaziva porast pritiska u šupljinama, širenje pene i njeno komadanje na pojedinim mestima. Dodatno pogoršavanje nastaje usled porasta temperature izazvanog trenjem termalne izolacije i sve bržeg vazduha koji duva oko šatla kako on dobija na brzini. Taj efekat zagrevanja vazdušnih džepova unutar pene povećava pritisak i pospešuje otvaranje šupljina. Takav neprijatni fenomen se često među stručnjacima naziva "pop–corning".

Pošto se problem nalazi duboko u peni a ne na njenoj površini, teško da bi sloj boje mogao da zaustavi proces njenog otpadanja. NASA–ini izveštaji potvrđuju da je u prve dve misije šatlova sa prefarbanim spoljnjim rezervoarom otpadalo jednako izolacije kao i kod kasnijih, neprefarbanih verzija. Šta više, vrlo je moguće da bi ta ekstra–zaštita donela još veće probleme, jer bi otpali delovi farbe predstavljali dodatnu opasnost za Orbiter.

Bilo je i zanimljivih i konstruktivnih predloga za NASA–u kako sprečiti opasno otpadanje zaštitne poliuretanske izolacije tokom lansiranja. Jedan od predloga je da se oko čitavog rezervoara postavi specijalna mreža, kao ona za kosu, koja bi sprečavala već otpalu penu da se razleti i tako ošteti Orbiter.

Ispostavilo se da je mudra NASA već odavno razmatrala mogućnost da preko penaste izolacije postavi neku vrstu mreže. Međutim, nakon ispitivanja i konsultacija, NASA je zaključila da bi i takva zaštita mogla da popuca i a bi predstavljala dodatnu opasnost za letilicu. Materijal od koga bi se takav pokrivač pravio morao bi da bude prilično velike gustine, tako da bi njegovo eventualno raspadanje izazvalo još veću opasnost nego sâma pena. Možda bi mreža mogla da se stavi unutra, da se u penu dodaju vlakna velike snage ili neki slični materijali, ali ni to nije bez svojih rizika.

Komadi pene otpadaju sa spoljnjeg rezervoara (ET) i pogađaju "Columbiju"

Bez obzira da li se odlučili za spoljašnje ili unutrašnje postavljanje mreže, svako novo rešenje bi iziskivalo istraživanja, testiranja i proizvodne tehnike širokih razmera. Svaka promena na šatlu podleže vrlo dugim i krutim procedurama za utvrđivanje mogućih željenih i neželjenih efekata mogućih prepravki na letilicu. Ovakva promena bi zahtevala opsežna istraživanja o tome "šta bi se desilo ako bi se desilo" nešto naopako, koliku bi dodatnu masu to donelo, kako bi se to odrazilo na Orbiter itd. NASA je zaključila da bi taj posao potrajao nekoliko godina (i previše miliona!), i da verovatno ne bi doneo jasne rezultate pre planiranog odlaska Space Shuttlea u penziju oko 2010. godine. Umesto toga, NASA se usredsredila na napore da usavrše proces nanošenja pene i da što je moguće više smanji mogućnost nastajanja vazdušnih šuljina u izolaciji, i tako eliminiše nastanak krhotina bilo gde na letilici.

Bio je i jedan interesantan predlog da se oko svih napadnih ivica Orbitera postave specijalno projektovani štitovi, i tako se letilica sa ljudima zaštiti od katastrofičnih oštećenja.

Kao i kod prethodnog predloga, svaka modifikacija šatla zahteva brojne analize, testove i troškove, što bi opet značilo iovako kritično smanjenje broja letova. Dalje, ovakva ideja otvara brojna nova pitanja o tome kako sve to ukomponovati. Štit ne samo da bi trebalo da bude dovoljno jak da spreči eventualne udrace pene, već i da se suprotstavi aerodinamiičkim silama i zagrevanjima kojima je šatl izložen probijanjem kroz atmosferu supersoničnim brzinama. Takođe, taj štit mora da bude nezavistan od termalnog zaštitnog sistema koji već pokriva stomak i napadne površine Orbitera. Štit bi nekako morao da se odbaci gore u orbiti bez bojazni od oštećenja zaštitnih ploča izolacije letilice. Takođe bi morale da se razrade i precizne procedure za slučaj da astronauti moraju ručno da uklone štit, za slučaj da automatsko odbacivanje omane. Kada se problem sagleda na ovakav način, lako se uočava sva nepraktičnost ovakve ideje.

 

[1] Isrtraga je utvrdila da je komad imao približne dimenzije 48×29×14 cm i težinu od 750 grama. Iako se šatl u tom trenutku kretao brzinom od 2.525 km/h, komad je udario krilo brzinom od oko 850 km/h.

[2] Čitav rezervoar je podeljen u 3 dela: rezevoar za tečni kiseonik (542.645 litara ili 617,76 tona), međurezervoar (za elektroniku, 5,49 tona) i rezervoar za tečni vodonik (1.458.390 litara ili 103,26 tona).

[3] Ako su izabrani najveći predviđeni nagibi orbita (51,6° i 57°), moguće je šatl i ET videti i iz Evrope, nekih 19 minuta nakon lansiranja. Ako nije u Zemljinoj senci, orbiter se vidi kako ide sa zapada na istok kao sjajno beli objekat magnitude 0, dok je ET crvenkast, magnitude oko +2.


 
Ostali tekstovi iz ove serije članaka
Brzina Space Shuttlea u orbiti
Space Shuttle i Max–Q
Zašto se šatlovi okreću pri lansiranju?
Praćenje orbita sa Zemlje
Lansiranja raketa sa ekvatora
Odbacivanje šatlovih bustera
Izolacija glavnog šatlovog tanka
Brzina lansiranja i Zemljina rotacija

(09.04.2007.)


Komentar?

Vaše ime:
Vaša e-mail adresa:
Predmet:
Vaš komentar:

vrh

 

Potražite

AM Index
 
priključite se

 

Space shuttle šta je to?

SHUTTLE NA POPRAVNOM ILI U MIROVINU!?

MINUTE STRAHA ZA ASTRONAUTE (Space shuttle 2006)

Spejs šatl Kolumbija eksplodirao

Spejs šatl Kolumbija

Da li je posada Kolumbije mogla biti spasena?

Šta je to space shuttle?

Da li bi se posada Burana spasla?

Saplitanje o „Kolumbiju”