

スペースシャトルの熱防護システム(TPS)は、大気圏再突入時の1,650 ℃(3,000 ℉)という極度の 高熱からスペースシャトル・オービターを守るバリアです。第二の目的は、軌道上で宇宙の熱と寒さから機体を守ることでした。[ 1 ]

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TPS は基本的に軌道船の表面全体を覆い、必要な熱保護の量に基づいてさまざまな場所に 7 つの異なる材料で構成されていました。
各タイプのTPSには、特定の耐熱性、耐衝撃性、重量特性があり、それによって使用される場所と使用量が決まります。
シャトルの TPS には、以前の宇宙船で使用されていた TPS とは異なる 3 つの重要な特徴がありました。

オービターのアルミニウム構造は、175℃(347℉)を超える温度に耐えられず、構造的な破損を起こした。[ 2 ] 再突入時の空力加熱により、一部の場所ではこの温度をはるかに超える温度となるため、効果的な断熱材が必要であった。

再突入時の加熱はジェット機に関連する通常の大気の加熱とは異なり、これが TPS の設計と特性を左右しました。高速ジェット機の外皮も熱くなりますが、これは大気の摩擦による摩擦加熱によるもので、手をこすり合わせると温まるのと似ています。オービタは、非常に高い (40°)迎え角を持ち、広い下面を飛行方向に向けることで、鈍体として大気圏に再突入しました。再突入中にオービタが受ける加熱の 80% 以上は、圧力と温度の基本的な熱力学関係に従い、極超音速機の前方の空気の圧縮によって引き起こされます。機体の前方に高温の衝撃波が生成され、これが熱のほとんどを逸らし、オービタの表面がピーク熱に直接接触するのを防いでいます。そのため、再突入時の加熱は主に、過熱プラズマを介した衝撃波とオービタ外皮の間の対流熱伝達でした。[ 1 ]この種の加熱に対する再利用可能なシールドの鍵となるのは、魔法瓶が対流熱伝達を阻害するのと同様に、非常に低密度の材料です。
一部の高温金属合金は再突入時の熱に耐えることができ、単に高温になって吸収した熱を再放射するだけです。ヒートシンク熱防護と呼ばれるこの技術は、 X-20 ダイナソア有翼宇宙船のために計画されました。[ 1 ]しかし、スペースシャトルオービターのような大型の乗り物を保護するのに必要な高温金属の量は非常に多くなり、乗り物の性能に重大な悪影響を及ぼしました。同様に、アブレーション TPS も重く、再突入時に燃え尽きて乗り物の空力を阻害する可能性があり、各ミッション後に再適用するための多大なメンテナンスが必要になります。残念ながら、当初は打ち上げ中に破片に衝突しないように指定されていた TPS タイルも、実際には、スペースシャトル コロンビアの喪失後に新しい軌道上検査ポリシーが確立される前でさえ、上昇中に損傷を受ける可能性があるため、着陸のたびに綿密に検査および修理する必要がありました。しかし、平均交換率は依然として低く、例えばディスカバリー号では、その寿命が尽きた時点で24,000枚のタイルのうち約18,000枚がオリジナルのタイルのままだった。[ 3 ]

TPSは、シリカタイルだけでなく、様々な防護タイプから構成されるシステムでした。それらは、タイルTPSと非タイルTPSの2つの基本的なカテゴリーに分類されます。[ 1 ]主な選定基準は、特定のエリアの熱に耐えられる最も軽量な防護でした。ただし、耐衝撃性をさらに高める必要がある場合は、より重量のあるタイプが使用されることもありました。FIBブランケットは、主にメンテナンスの軽減を目的として採用されたものであり、熱や重量の問題ではありませんでした。
シャトルの大部分は、本質的に非常に純粋な石英砂から作られたLI-900シリカタイルで覆われていました。 [ 1 ] この断熱材は、下にあるオービターのアルミニウム外板と構造への熱伝達を防いでいました。これらのタイルは熱伝導率が非常に悪く、赤熱した状態で端を握ることができました。[ 4 ] 機体には約24,300枚のタイルが個別に取り付けられており、[ 5 ]そのため、オービターは「空飛ぶレンガ工場」と呼ばれています。[ 6 ] [ 7 ]ミネソタ大学と ペンシルベニア州立大学の研究者は、原子状酸素と分子状酸素がシリカ表面とどのように相互作用するかを正確に記述するための原子論的シミュレーションを実施し、極超音速機の前縁部用のより優れた高温酸化防止システムを開発しています。[ 8 ]
タイルは機体に機械的に固定されたのではなく、接着されていました。脆いタイルは機体外板に合わせて曲がることができないため、室温硬化型(RTV)シリコーン接着剤でノーメックスフェルト製の歪み隔離パッド(SIP)に接着され、さらにこのSIPがオービタ外板に接着されました。これにより、タイルはオービタの構造的なたわみや膨張から隔離されました。[ 1 ] 24,300枚のタイルを接着するには、1回の飛行につきほぼ2人年の作業が必要でした。これは、接着剤がすぐに乾燥するため、タイルを数枚貼るごとに新しいバッチを製造する必要があったためです。技術者が接着剤に唾を吐きかけて乾燥を遅らせるという場当たり的な対策が、1988年まで一般的でした。タイルの危険性に関する研究で唾が接着剤の接着強度を弱めることが明らかになったのです。[ 9 ]
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黒色のHRSIタイルは、最高1,260℃(2,300℉)の温度から機体を保護しました。20,548枚のHRSIタイルが、着陸装置のドア、外部燃料タンク接続口、そしてオービターの残りの下面を覆っていました。また、機体前部上部、軌道操縦システムポッドの一部、垂直安定板の前縁、エレボンの後縁、そして機体上部のフラップ表面にも使用されていました。タイルの厚さは、再突入時に受ける熱負荷に応じて、1インチから5インチ(2.5cmから12.7cm)まで様々でした。閉鎖区域を除き、これらのタイルは通常6インチ四方(15cm四方)の正方形でした。HRSIタイルは高純度シリカ繊維でできていました。タイルの体積の90%は空間であり、密度が非常に低く(9 lb/cu ft または 140 kg/m 3)、宇宙飛行に十分な軽さでした。[ 1 ] コーティングされていないタイルは見た目が明るい白色で、泡のような素材というよりは固体のセラミックのように見えました。
タイルの黒色コーティングは反応硬化ガラス(RCG)で、その成分にはテトラボロンシリサイドとホウケイ酸ガラスが含まれていました。 [ 10 ] RCGは多孔質シリカを保護し、ヒートシンク特性を向上させるために、タイルの片面を除くすべての面に塗布されました。コーティングされていない面(底面)に隣接する側面のわずかな部分にはコーティングが施されていませんでした。タイルの防水処理として、ジメチルエトキシシランを注射器でタイルに注入しました。テトラエチルオルトシリケート(TEOS)でタイルを高密度化することで、シリカを保護し、防水性をさらに高めました。

コーティングされていないHRSIタイルを手に持つと、非常に軽い泡のような感触で、発泡スチロールよりも密度が低く、繊細で脆い素材であるため、損傷を防ぐには細心の注意を払って取り扱う必要があります。コーティングは薄く硬い殻のような感触で、白い断熱セラミックを包み込み、コーティングされていない面を除いて、その脆さを解消しています。コーティングされたタイルでさえ非常に軽く、同じサイズの発泡スチロールのブロックよりも軽いです。シリカの特性として当然ですが、無臭で不活性です。
HRSIは主に、極低温領域(宇宙空間、約-270℃または-454℉)から再突入時の高温(主に超音速衝撃波による上層大気のガスとスペースシャトルの機体との相互作用による圧縮、通常約1,600℃または2,910℉)への移行に耐えられるように設計されました。[ 1 ]
黒色のFRCIタイルは、耐久性、塗膜のひび割れ耐性、軽量化を向上させました。一部のHRSIタイルはこのタイプに置き換えられました。[ 1 ]
1996年に導入された、より強度が高く丈夫なタイルです。TUFIタイルは、オービター下面用の高温用黒色バージョンと、上面用の低温用白バージョンがありました。他のタイルよりも耐衝撃性に優れている一方で、白バージョンは熱伝導率が高いため、オービター上面フラップとメインエンジン部に限定して使用されました。黒色バージョンはオービター下面の断熱性は十分でしたが、重量が重かったため、使用箇所は限定されていました。[ 1 ]
白色のタイルは、主翼前縁付近の上翼を覆っていた。また、胴体前部、中部、後部、垂直尾翼、そしてOMS/RCSポッドの特定の領域にも使用された。これらのタイルは、再突入時の温度が1,200 °F(649 °C)を下回る領域を保護した。LRSIタイルはHRSIタイルと同様の方法で製造されたが、タイルの大きさは8インチ×8インチ(20 cm×20 cm)の正方形で、光沢のある酸化アルミニウムを含むシリカ化合物で作られた白いRCGコーティングが施されていた。[ 1 ] 白色は設計によるもので、オービターが直射日光にさらされた際の軌道上の熱管理に役立った。
これらのタイルは、改修により最大100回のミッションまで再利用可能でした(100回ミッションは各オービターの設計寿命でもありました)。各ミッションの後、オービター処理施設で厳重に検査され、損傷または摩耗したタイルは次のミッションの前に直ちに交換されました。必要に応じて、タイル間にギャップフィラーと呼ばれる布シートも挿入されました。これによりタイル同士がぴったりとフィットし、過剰なプラズマがタイル間に侵入するのを防ぎながら、下にある機体外板の熱膨張とたわみを許容することができました。
FIBブランケットが導入される前は、LRSIタイルが、胴体上部とOMSポッドの表面全体を含む、現在ブランケットで覆われている領域全体を占めていました。このTPS構成は、コロンビア号とチャレンジャー号でのみ使用されました。
コロンビア号の初期納入後に開発され、チャレンジャー号のOMSポッドで初めて使用されました。[ 11 ]この白色の低密度シリカ繊維でできた中綿はキルトのような外観で、LRSIタイルの大部分に取って代わりました。LRSIタイルに比べてメンテナンスの手間がはるかに少なく、断熱性はほぼ同等でした。チャレンジャー号では限定的に使用されましたが、ディスカバリー号以降はより広範囲に使用され、チャレンジャー号の喪失後、コロンビア号の多くのLRSIタイルに取って代わりました。
再突入時の最高1,510℃(2,750℉)の温度に耐えたライトグレーの素材が、主翼の前縁とノーズキャップを保護しました。オービターの各主翼には、厚さ約1 ⁄ 4~1 ⁄ 2インチ(6.4~12.7 mm)のRCCパネルが22枚配置されていました。各パネル間のTシールにより、パネルと主翼間の熱膨張と横方向の動きが許容されていました。
RCCは、フェノール樹脂を含浸させた炭素繊維から作られた積層複合材料です。オートクレーブで高温硬化させた後、積層体を熱分解して樹脂を純粋な炭素に変換します。次に、真空チャンバー内でフルフラールアルコールを含浸させ、再び硬化・熱分解させてフルフラールアルコールを炭素に変換します。この工程は、所望の炭素-炭素特性が得られるまで3回繰り返されました。
再利用性を高めるために、RCCの外層にはシリコンカーバイドがコーティングされました。このシリコンカーバイドコーティングは、炭素繊維の酸化を防ぎました。RCCは上昇および突入時に発生する疲労荷重に対して高い耐性を示しました。RCCはタイルよりも強度が高く、爆発ボルトの爆発による衝撃荷重に対応するため、オービターの前方接続点と外部燃料タンクのソケット周囲にも使用されました。RCCは、オービターの空力形状の一部、すなわち主翼前縁とノーズキャップの構造支持としても機能する唯一のTPS材料でした。その他のTPSコンポーネント(タイルとブランケット)はすべて、それらを支える構造材料、主にオービターのアルミニウムフレームと外板上に取り付けられました。
この白い柔軟な布は、最高371℃(700℉)まで耐熱性を提供しました。FRSIは、オービターの上部翼面、ペイロードベイ上部ドア、OMS/RCSポッドの一部、そして後部胴体を覆いました。
渦の発生を防ぎ、加熱を最小限に抑えるため、ドアや可動面に隙間を埋める隙間塞ぎ材が設置されました。ドアや可動面は、熱から保護する必要がある熱防護システムに隙間を作り出しました。これらの隙間の一部は安全でしたが、熱シールドの一部の領域では、表面圧力の勾配により、隙間に境界層の空気の横流れが発生していました。
充填材は、白色AB312繊維または黒色AB312布カバー(アルミナ繊維含有)で作られました。これらの材料は、ノーズキャップの前縁、風防、側面ハッチ、主翼、エレボンの後縁、垂直安定板、ラダー/スピードブレーキ、ボディフラップ、そしてシャトルのメインエンジンの熱シールドの周囲に使用されました。
STS-114では、この素材の一部が剥がれ落ち、潜在的な安全リスクとなることが判明しました。隙間を埋める素材が胴体下部で乱気流を引き起こし、その結果、温度が急上昇し、オービターに損傷を与える可能性がありました。この布はミッション中の 船外活動中に除去されました。
強化カーボンカーボンは最も優れた耐熱性を有していましたが、シリカタイルやFIBよりもはるかに重いため、比較的狭い範囲に限定されていました。一般的に、必要な耐熱性を確保しつつ、最も軽量な断熱材を使用することが目標でした。各TPSタイプの密度:
| 材料 | 密度 | |
|---|---|---|
| (kg/m 3) | (ポンド/フィート3) | |
| 強化カーボンカーボン | 1986 | 124 |
| LI-2200タイル | 352 | 22 |
| 繊維質耐火複合断熱タイル | 192 | 12 |
| LI-900タイル(黒または白) | 144 | 9 |
| 柔軟な断熱ブランケット | 144 | 9 |
各TPSタイプの総面積と重量(1996年以前のオービター102で使用)
| TPSタイプ | 色 | 面積(m 2) | 面密度(kg/m 2) | 重量(kg) |
|---|---|---|---|---|
| 再利用可能なフェルト表面断熱材 | 白 | 332.7 | 1.6 | 532.1 |
| 低温再利用可能な表面断熱材 | オフホワイト | 254.6 | 3.98 | 1014.2 |
| 高温再利用可能な表面断熱材 | 黒 | 479.7 | 9.2 | 4412.6 |
| 強化カーボンカーボン | ライトグレー | 38.0 | 44.7 | 1697.3 |
| その他 | 918.5 | |||
| 合計 | 該当なし | 1105.0 | 該当なし | 8574.4 |

タイルが頻繁に剥がれ落ち、スペースシャトルの最初のミッションであるSTS-1の打ち上げが大幅に遅れた。STS-1 は当初 1979 年に予定されていたが、1981 年 4 月にようやく実現した。NASA はプログラムの長期遅延に慣れておらず、政府や軍から早期打ち上げを求める大きな圧力を受けていた。1979 年 3 月、NASA は 31,000 枚のタイルのうち 7,800 枚が欠けている未完成のコロンビアを、カリフォルニア州パームデールのロックウェル・インターナショナル工場からフロリダ州ケネディ宇宙センターに移した。プログラムが進んでいるように見せかけるだけでなく、NASA はオービターの残りの部分を準備している間にタイル張りを終えられることを期待した。これは間違いだった。ロックウェルのタイル職人の中にはフロリダが嫌いな者もいて、すぐにカリフォルニアに戻ってしまった。またオービター処理施設は製造用に設計されておらず、400 人の作業員には手狭だった。[ 13 ]
各タイルには硬化に16時間を要するセメントが使用されていました。タイルがセメントに固定された後、ジャッキでさらに16時間固定されました。1979年3月には、作業員1人あたりタイル1枚の設置に40時間を要していましたが、夏季に若く有能な大学生を投入することで、作業ペースは1人あたり週1.8枚にまで加速しました。数千枚のタイルが耐熱試験に合格せず、交換が必要となりました。秋までにNASAはタイル設置のスピードが打ち上げ日を左右することを認識しました。タイルは非常に問題が多かったため、関係者は他の熱保護方法に切り替えたでしょうが、他に方法は存在しませんでした。[ 13 ]
タイルを全て取り外した状態で輸送しなければならなかったため、輸送中のシャトルの空気力学を維持するために隙間に材料が詰められました。[ 14 ]
タイルのTPSは、シャトル開発において主に接着信頼性に関する懸念事項でした。一部のエンジニアは、タイルが1枚剥がれ、その結果生じる空力圧力によって「ジッパー効果」が生じ、他のタイルが剥がれ落ちるという故障モードが存在する可能性があると考えていました。上昇時であれ再突入時であれ、結果は悲惨なものとなるでしょう。
もう一つの問題は、上昇中に氷やその他の破片がタイルに衝突することでした。破片は除去されず、タイルは依然として損傷を受けやすい状態であったため、この問題は完全には解決されていませんでした。NASAがこの問題を軽減するための最終的な戦略は、飛行間の地上に加えて、軌道上および再突入前に、発生する可能性のあるあらゆる損傷を積極的に検査、評価、対処することでした。
こうした懸念は非常に大きく、NASAはSTS-1の乗組員が軌道離脱前に使用できる緊急用タイル修理キットの開発に多大な労力を費やしました。1979年12月までに試作品と初期手順が完成し、そのほとんどは、宇宙飛行士に特別な宇宙空間修理キットと、マーティン・マリエッタが開発した有人操縦ユニット(MMU)と呼ばれるジェットパックを装備することでした。
もう一つの要素は、MMU推進の宇宙遊泳を行う宇宙飛行士をオービター下部の脆弱なタイルに固定するための、機動性の高い作業プラットフォームでした。この構想では、電気制御の粘着カップを用いて作業プラットフォームを表面の凹凸のないタイルに固定しました。1981年のSTS-1打ち上げの約1年前、NASAは修理能力が追加のリスクと訓練に見合わないと判断し、開発を中止しました。[ 15 ] 修理ツールと技術には未解決の問題があり、また、さらなる試験でタイルが剥がれる可能性は低いことが示されました。最初のシャトルミッションではタイルがいくつか破損しましたが、それらは重要ではない部分であり、「ジッパー効果」は発生しませんでした。
2003年2月1日、スペースシャトル・コロンビア号は再突入時にTPS(離着陸制御システム)の故障により破壊されました。調査チームは、打ち上げ時に断熱材の破片が左翼前縁のRCCパネルに穴を開け、再突入時に発生した高温のガスが翼内に侵入して翼を内側から破壊し、最終的に制御不能に陥りシャトルが分解したことが事故原因である可能性が高いと結論付け、報告しました。
スペースシャトルの熱防護システムは、事故後、数々の制御と改良を受けました。これらの改良は、その後の宇宙へのミッション打ち上げに備えて、残りの3機、ディスカバリー号、アトランティス号、エンデバー号にも適用されました。
2005年のSTS-114ミッションでは、ディスカバリー号がコロンビア号事故後の最初の飛行を行ったが、NASAはTPSが損傷していないことを確認するためいくつかの手順を踏んだ。遠隔操縦システムの新しい拡張部分である長さ50フィート(15メートル)のオービターブームセンサーシステムを使用して、TPSのレーザー画像化を行い、損傷を検査した。国際宇宙ステーションにドッキングする前に、ディスカバリー号はランデブーピッチマヌーバ、つまり360°のバックフリップ回転を実行し、ISSから機体のすべての領域を撮影できるようにした。2つのギャップフィラーがオービターの下側から公称許容距離を超えて突き出ていたが、NASAは、フィラーが原因で加熱が増加するリスクを冒すよりも、フィラーを取り除くか面一に切断するのが最善であると慎重に決定した。それぞれの突出量は 3 cm (1.2 インチ) 未満であったが、そのままにしておくと再突入時に温度が 25% 上昇する可能性があると考えられていた。
オービタの底面には掴みどころがなかったため(懸念される突出した隙間埋め材よりも、再突入時の加熱による問題の方がはるかに深刻だったため)、宇宙飛行士スティーブン・K・ロビンソンはISSのロボットアーム「カナダアーム2 」から作業を行った。TPSタイルは非常に壊れやすいため、機体の下で作業を行うと、既存のタイル以上に損傷を与える可能性があるという懸念があったが、NASA当局は隙間埋め材をそのままにしておくことの方がリスクが高いと判断した。結局、ロビンソンは手で隙間埋め材を引き抜くことができ、ディスカバリー号のTPSに損傷を与えることはなかった。
2010年、スペースシャトルの退役が迫っていたため、NASAは学校、大学、博物館にTPSタイルを1枚あたり23.40ドルの送料で寄贈していました。[ 16 ]約7000枚のタイルが先着順で提供されましたが、1機関あたり1枚までに制限されていました。[ 16 ]
軌道操縦システム/反応制御システムの低温再利用可能表面断熱タイル(LRSI)が、外側と内側のブランケットの間に同じシリカタイル素材を挟み込んだ縫製複合キルティング布ブランケットからなる先進的フレキシブル再利用可能表面断熱タイル(AFRSI)に交換されました。