Tepelná vodivost izolace raketoplánu: Komplexní přehled

Raketoplány patří jednoznačně mezi nejúžasnější dopravní prostředky v historii kosmonautiky. Obrovské úsilí mnoha vědců a techniků se promítá v tomto legendárním dopravním prostředku historie kosmonautiky. Pro kosmickou loď, vstupující do hustých vrstev atmosféry, je nutný tepelný štít, který chrání loď před účinky tepelného toku o vysoké teplotě.

Tepelný štít musí při své minimální hmotnosti udržet teplotu vnitřní konstrukce lodě pod definovanou kritickou teplotou, při jejímž překročení by došlo k narušení bezpečnosti letu. Raketoplán musel čelit velkému rozdílu teplot, pokud byl na oběžné dráze Země přivrácen, či odvrácen od Slunce.

Pokud jste si měli možnost prohlédnout raketoplán alespoň na kvalitní fotografii, upoutá vás jeho černobílý design. Barevný vzor mu uděluje pokrytí izolačními dlaždicemi. Bílé dlaždice chrání místa méně tepelně namáhaná, odolávající teplotám maximálně 400 °C. Černé dlaždice pokrývají nejvíce tepelně namáhané části raketoplánu a jsou vystaveny teplotám 650 až 1275 °C. Nejvyšší teplota, kterou snesou, je 1400 °C.

Systémy tepelné ochrany raketoplánu (TPS)

Tepelné režimy, kterým je vystaven povrch kosmické lodě, závisí na tom, jakým způsobem loď vstupuje do atmosféry. Při méně strmých úhlech vstupu jsou tepelné toky menší, ale jak se současně prodlužuje doba letu, zvětšuje se i celkové množství tepla. Podle předpokládaného způsobu průletu atmosférou lze volit vhodný systém tepelné ochrany a tedy i vhodný materiál.

Tloušťka dlaždic kolísá od 30 do 120 mm. Tepelná ochrana raketoplánu je složena z několika částí v závislosti na teplotě, které je daná část raketoplánu vystavena především při sestupu do atmosféry při návratu na Zemi.

Čtěte také: Produkty Isover pro zateplení

Typy izolačních materiálů

1. Kompozitní materiál RCC (Reinforced Carbon-Carbon): Tento materiál je tvořen uhlíkovými vlákny v uhlíkové matrici, chráněný vrstvou karbidu křemíku před oxidací. Používá se v místech, kde je raketoplán vystaven teplotám vyšším než 1300 °C, jako jsou náběžné hrany křídel a nosová část raketoplánu, kde teplota může dosahovat až 1600 °C. RCC má nízkou tepelnou vodivost a jeho pevnost se s růstem teploty zvyšuje. Koeficient tepelné roztažnosti je 10x menší než u kovů, což podstatně snižuje tepelná pnutí. Nosová část je vytvarovaná právě z RCC a k trupu je připevněna 16 úchytkami.
2. Vícenásobně použitelná izolace HRSI (High-temperature Reusable Surface Insulation): Tato izolace je určena pro oblasti s teplotami 700-1300 °C. Spodek trupu a křídel je chráněn žáruvzdornými dlaždicemi HRSI, které jsou vyrobeny z křemenné vaty s černou glazurou, zajišťující vysoké zpětné vyzařování. Největší měrou jsou zde zastoupeny čtvercové dlaždice o rozměrech 15,2 × 15,2 cm.
3. Vícenásobně použitelná izolace LRSI (Low-temperature Reusable Surface Insulation): Pro oblasti s teplotami do 700 °C, například na hřbetě, motorových krytech apod. Horní části křídel a kabiny, dále pak směrové kormidlo a boky trupu nesou systém dlaždic LRSI. Tyto dlaždice mají bílou glazuru, zajišťují poměrně vysokou odrazivost tepelného záření a jsou rozměrnější než dlaždice HRSI (20,3 × 20,3 cm).
4. Pružná izolace AFRSI (Advanced Flexible Reusable Surface Insulation): Byla použita jako náhrada za velmi tenké desky LRSI a skládá se z křemíkového filcu. Její povrch je pokryt izolační plstí FRSI.
5. Izolace FRSI (Felt Reusable Surface Insulation): Tato izolace z nomexové plsti je využita na nejméně namáhaných částech raketoplánu, jako jsou dveře nákladového prostoru a část bočního trupu. FRSI zajišťuje jejich stonásobné použití.

Základním materiálem tepelného štítu raketoplánu je křemík, zejména ve formě oxidu křemičitého, má tedy podobné složení jako běžné sklo. Destička není jednolitý skleněný blok, ale je vyplněna tenkými skelnými vlákny tak, že 95 % objemu dlaždice tvoří vzduch. Zejména struktura vláken rozhoduje o vlastnostech výsledné destičky a její tepelné vodivosti. Křemenné jádro je chráněno dalšími vrstvami proti poškození. Jejich vysoká tvrdost také chrání raketoplán před poškozením od mikrometeoritů na oběžné dráze.

Důležitým faktorem konstrukce tepelného štítu z HRSI nebo LRSI je geometrické uspořádání desek a velikost mezer. Je důležité, aby přechod mezi deskami byl hladký. Není-li napojení hladké, je vyčnívající hrana desky vystavena vysoké teplotě a skok způsobuje turbulentní proudění. Pokusy v aerodynamickém tunelu dále ukázaly, že přechod od laminárního proudění k turbulentnímu může být způsoben buď širokými mezerami nebo dlouhými úzkými mezerami ve směru proudění.

Mezery však komplikují řešení tepelné ochrany ještě tím, že dovolují radiační přenos tepla z horkého vnějšího povrchu přímo k podložce. Testy ukázaly, že tenký hranolek stejného materiálu jako nylonová podložka, umístěný na dno mezery a přichycený hranami desek je dostatečnou ochranou před pronikáním tepla. Ovšem v místech, kde by vyšší tlak měl za následek tok o vysoké teplotě do mezer - např. na koncích elevonů - je třeba zcela zaplnit mezery pružnou křemičitou ucpávkou.

Součinitel tepelné vodivosti (λ)

Součinitel tepelné vodivosti, označovaný řeckým písmenem λ (lambda), je fyzikální veličina z oboru termodynamiky. Koeficient λ vyjadřuje schopnost materiálu vést teplo a je definován jako množství tepla ve wattech, které projde průřezem materiálu o tloušťce 1 metr při rozdílu teplot 1 K (1 Kelvin) mezi oběma povrchy materiálu. Součinitel tepelné vodivosti je klíčovým parametrem pro hodnocení tepelně izolačních vlastností materiálů v oblasti stavebnictví a je zásadní pro výpočet tepelných ztrát a energetické náročnosti budov.

Koeficient součinitele tepelné vodivosti λ hraje proto zásadní roli při výběru izolačních materiálů. Různé izolační materiály mají odlišné hodnoty λ. Tyto hodnoty ukazují, jak různé materiály vedou teplo a jak efektivně mohou sloužit jako izolace. Hodnota λ se obvykle určuje laboratorními testy za kontrolovaných podmínek.

Čtěte také: klíč k úsporným stavbám

Faktory ovlivňující součinitel tepelné vodivosti 𝜆

• Vlhkost: Přítomnost vody má mnohem vyšší tepelnou vodivost než vzduch (λ vody je cca 0,58 W·m⁻¹·K⁻¹, zatímco vzduchu cca 0,025 W·m⁻¹·K⁻¹).
• Teplota: U některých materiálů (např. pěnové izolace) roste λ s rostoucí teplotou. Stabilita izolačních plynů v materiálech obsahujících uzavřené plyny je také ovlivněna teplotou.
• Struktura materiálu: Materiály s vyšší porozitou (např. minerální vata, pěnové plasty) mají nižší hodnotu λ, protože vzduch v pórech omezuje vedení tepla.
• Tlak a hustota: S rostoucí hustotou se obvykle zvyšuje tepelná vodivost. Tlakové podmínky ovlivňují izolace s plyny.
• Typ plynu v pórech: Materiály naplněné plyny s nízkou tepelnou vodivostí (např. vakuové panely) mají nižší λ.
• Stárnutí materiálu: Degradace materiálu může s časem snižovat jeho izolační schopnosti.
• Směr vedení tepla (Anizotropie): Některé materiály mohou vykazovat rozdílné hodnoty λ v závislosti na směru vedení tepla.

Tabulka s porovnáním součinitele tepelné vodivosti pro vybrané materiály

Problémy a údržba tepelného štítu

Původně se předpokládalo, že horní část orbiteru nebude muset být vůbec pokryta termální ochranou, ale simulace, provedené v březnu 1975, překvapivě ukázaly, že teplota na horní části raketoplánu může při návratu přesáhnout 175°C, tedy hodnotu, při které začíná hliníková konstrukce orbiteru ztrácet pevnost. Aplikace dlaždic se ukázala být velmi zdlouhavým procesem. Ke každé dlaždici musela být zespoda přilepena nomexová podložka, která měla za úkol dlaždici izolovat od hliníkové konstrukce orbiteru. Ta se totiž během tepelného namáhání při střídání vysokých a nízkých teplot na orbitu rozpínala a smršťovala, a pokud by byly křehké dlaždice přilepeny přímo na ni, mohly by popraskat.

V průběhu stavby prvního letového exempláře OV-102, pojmenovaného Columbia, dělaly dlaždice vrásky na čele techniků. V březnu 1979 Columbii převezl Boeing-747 SCA z výrobního závodu v Palmdale na KSC k plánovanému slavnostnímu odhalení. Jenže z 30 759 dlaždic jich v té době zbývalo nalepit ještě přibližně 6 000! NASA v jednu chvíli dokonce angažovala jako brigádníky studenty okolních univerzit, jejich pracovní morálka a dodržování přísných technologických postupů však nebyly zdaleka na požadované úrovni. Většinu dlaždic bylo nutno vyměnit. A měnilo se nejen kvůli chybnému postupu, mnoho dlaždic prostě neprošlo přísnými testy. Ještě v září 1980 bylo nutno vyměnit 4 741 kusů!

Bohužel již po prvním testovacím letu raketoplánu Columbia bylo známo, že dochází k odpadávání tepelné izolace palivové nádrže (velká oranžová nádrž, ET). Bohužel v průběhu dalších letů se této skutečnosti nevěnovala dostatečná pozornost. Nikdo se nezamýšlel nad možnou situací vážného poškození tepelné izolace raketoplánu v místech největšího dynamického namáhání. To se pak stalo raketoplánu Columbia při návratu z orbitální dráhy dne 1. 2. 2003 osudným. Již při startu raketoplánu došlo k výraznému poškození náběžné hrany levého křídla.

Kritický incident nastal během mise STS-27 (Atlantis, prosinec 1988), kdy se během startu odtrhnul kus ablativního materiálu ze špice pravého SRB a udeřil do trupu Atlantisu. Astronauti pozorovali několik stovek poškozených dlaždic. Po přistání technici napočítali kolem 700 poškozených dlaždic a hliníková konstrukce na místě, které měla chránit chybějící dlaždice, vykazovala známky poškození žárem. Bylo to dosud nejhorší poškození TPS (Thermal Protection System).

Celá tepelná ochrana raketoplánu se po každém letu prohlédne. Během služby shuttlu se objevilo mnoho případů odpadnutí nebo poškození dlaždic během startu, ať už dynamickým namáháním, nebo impaktem cizího tělesa. Problémy se objevily také s náběžnými hranami z kompozitu RCC. Technici nalezli drobné prasklinky v takzvaných T-seals, což byly ucpávky mezi panely náběžné hrany, které umožňovaly tepelnou expanzi konstrukce křídla, aniž by byla narušena celistvá linie panelů. V panelech samotných pak byly během inspekce v roce 1993 objeveny mikroskopické otvory.

Čtěte také: Zvýšení tepelného komfortu v podkroví

Původcem těchto problémů byla v naprosté většině případů nádrž ET. Kryogenika se odpařuje při běžné teplotě velmi rychle a během startu je třením o molekuly vzduchu a teplotou výtokových plynů SSME, SRB a výbušných čepů při oddělování pomocných motorů nádrž navíc na některých místech zahřívána na 649°C. Úlohou pěnové izolace bylo nejen udržení vnitřní teploty nádrže, ale také prevence formování ledových plátů, ochrana proti úderům cizích těles a udržení strukturální celistvosti nádrže těsně před vstupem do atmosféry a tím i jejím zničením.

Od roku 1995 se sice změnilo složení pěny ve snaze zlepšit její mechanické a izolační vlastnosti, ale stále dokola se objevoval jeden problém: uvnitř pěnového obalu se během nástřiku tvořily „voids“, tedy prázdná místečka, zjednodušeně řečeno bublinky vzduchu. To vedlo k odlupování plátů izolace. Onen jev se vyskytoval v různé míře během každého startu raketoplánu. Vedení NASA to nijak zvlášť nevzrušovalo, neboť se domnívali, že lehký materiál pěny o hustotě 0,0384 g/cm³ nemůže způsobit vážné škody.

Zkušenosti s vývojem materiálů sloužících k tepelné ochraně kosmických lodí lze dobře využít i v pozemských podmínkách. Polymerů a pryskyřic odolávajících vysokým teplotám může být použito nejen v ablativních tepelných štítech, ale i při výrobě nehořlavých příček výškových budov.

tags: #tepelna #vodivost #izolace #raketoplanu #informace

Oblíbené příspěvky:

• jak posoudit kvalitu EPS ve stavebnictví
• Vše o trezorech s betonovou výplní
• Vše o hadicové vodováze
• Zahradní schody z dřeva
• Průvodce čištěním oken