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0378. Quali sono i materiali utilizzati e sviluppati specificamente per lo shuttle?

Sono uno studente del Tecnico Industriale e mi interessano le tecnologie spaziali. Avrei bisogno di alcune spiegazioni e approfondimenti sulle tecniche utilizzate negli space shuttle, soprattutto sui materiali utilizzati (ad esempio le piastrelle di ceramica), le loro funzioni specifiche. Quali sono i materiali utilizzati e sviluppati specificamente per lo shuttle? (Luca Randa) (5612_3245_2251)

sem_esperto_gialloIl rientro in atmosfera è sicuramente la fase più rischiosa di ogni missione spaziale; il velivolo ha a disposizione un corridoio di pochi gradi, al di sotto dei quali rimbalzerebbe contro l'atmosfera ed al di sopra brucerebbe a causa delle temperature troppo elevate indotte dal flusso di plasma icona_glossario generato dalla elevata velocità di rientro ( campo di velocità icona_glossario ipersonico). Il rientro in condizioni nominali avviene ad una velocità all'incirca 22 volte quella del suono, ovvero 22 mach. il Numero di Mach (Ma) è un numero a-dimensionale ottenuto dal rapporto tra una velocità e la velocità del suono icona_esperto[175] in un dato fluido. Esso prende il nome del fisico austriaco Ernest Mach icona_biografia che studiando i fenomeni della fluidodinamica icona_glossario si rese conto che vari aspetti dei moto dei fluidi attorno ad oggetti ad alta velocità erano descrivibili in funzione di questo rapporto, indipendentemente dal tipo di fluido e dalle sue condizioni specifiche di temperatura e pressione.

In questo regime ipersonico lo Space Shuttle (Orbiter) raggiunge temperature massime, sulla superficie esterna (OML - Outer Mold Line), di circa 1200 gradi centigradi Celsius icona_biografia (°C) (ricordiamo che 1200 °C corrispondono a 2300 °F), non sopportabili da nessun materiale strutturale attualmente utilizzato nel campo aerospaziale senza un adeguato Sistema di Protezione Termica (TPS Thermal Protection System).

Nel caso specifico dell'Orbiter, il TPS consente di abbattere la temperatura dai circa 1200 °C a circa 180 °C (350 °F), in corrispondenza della sottostruttura d'alluminio icona_chimica (AL) e del portellone del vano di carico, realizzato in materiale composito carbon/epoxy.

Oltre a tale funzione il TPS assolve quella di radiatore, emettitore di calore, nella zona bassa di colore nero, e quella di riflettore, per controllare il riscaldamento in orbita, nella zona superiore di colore bianco, oltre che a proteggere da surriscaldamenti locali dovuti ai motori principali (SSME - Space Shuttle Main Engine), dai boosters icona_glossario a propellente solido (SRB - Solid Racket Boosters), dai motori orbitali di manovra (OMS - Orbital Manouvering System) e da getti del sistema di controllo (RCS - Reaction Control System).

A complicarne maggiormente la vita, il TPS deve sostenere carichi acustici di lancio pari a 166 decibel icona_glossario , carichi aerodinamici in fase di volo librato, stress termici in orbita con temperature minime di -120 °C (-250 °F), sollecitazioni ambientali e carichi meccanici dovuti alle manovre a terra. La NASA icona_linkesterno produce una serie di min-iclip “ How things work” nei quali si fornisce risposta alle domande più frequenti proposte dagli appassionati dei voli spaziali. Non poteva mancare quella dedicata appunto al problema del riscaldamento dello shuttle nella fase di rientro. Purtroppo non esiste la verione italiana del commento.

Il sistema TPS dell'Orbiter si suddivide nei seguenti sottocomponenti principali:

- Sistema d'isolamento superficiale riutilizzabile (RSI- Reusable Surface Insulation)

- Sistema d'isolamento superficiale riutilizzabile flessibile avanzato (AFRSI-Advanced Flexible Reusable Surface Insulation)

- Sistema d'isolamento superficiale riutilizzabile di tipo "a nastro“ (FRSI - Felt Reusable Surface Insulation)

- Sistema d'isolamento carbonio-carbonio rinforzato (RCC-Reinforced Carbon-Carbon)

- Gap Fillers

- Thermal Barriers

- Thermal seals

- Window Thermal Panels.

ScienzaPerTutti_shuttle

Sistema di protezione tecnica (TPS) dello Space Shuttle.

Il sistema RSI è costituito da circa 24300 piastrelle, ad eccezione dell'OV-102 (Columbia), tragicamente perduto durante la missione STS-107 icona_linkesterno, a causa di un danneggiamento del TPS, che non avendo il sistema AFRSI ne aveva un numero maggiore. Queste piastrelle sono di due tipi: per basse temperature (LRSI - Low-Temperature Reusable Surface Insulation) ed alte temperature (HRSI-High-Temperature Reusable Surface Insulation).

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Uno dei componenti del sistema di protezione termica (TSP) dello Space Shuttle: il sistema RSI.

Le piastrelle sono utilizzate principalmente nella zona inferiore del velivolo, a causa della loro maggiore resistenza alle temperature ed alla loro superficie più liscia, che dà vantaggi dal punto di vista aerodinamico rispetto alle coperture flessibili. Le LRSI, di colore bianco, sono impiegate in zone la cui temperatura non eccede i 660 °C (1220 °F); le HRSI, di colore nero, sono impiegate per le regioni sottoposte a temperature fino a 1260 °C (2300 °F). Le piastrelle hanno uno spessore variabile da 19 a 76 mm con una dimensione di spigolo nominale di 15.2X15.2 cm. Queste piastrelle sono realizzate in uno speciale materiale ceramico icona_glossario il Lockeed Insulation LI-900 ed LI-2200, costituito principalmente da un composto di silicio icona_chimica (Si02) amorfo ad alta purità, con un'aggiunta, in quest'ultimo, di polvere di Silica-Carbide (SIC). La produzione di questo tipo di piastrelle avviene per sinterizzazione icona_glossario e successiva lavorazione meccanica, in modo da ottenere le dimensioni richieste.

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Sistema protezione della temperatura (TSP): controllo e trattamento delle piastrelle del sistema RSI prima del lancio.

Prima del lancio sono sottoposte ad un trattamento idrorepellente, in quanto essendo molto rigide, l'eventuale umidità assorbita, congelando in orbita e trasformandosi in vapore durante la fase di rientro, potrebbe facilmente danneggiarle, inoltre il trattamento assicura protezione contro l'ossigeno atomico durante questa stessa fase del volo.

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Sistema AFRSI basato su cuscino di fibre diilicio . Atlantis fotografato in orbita

Il sistema AFRSI, protegge il velivolo nella zona superiore dove i carichi termici, i gradienti di pressione e le forze aerodinamiche sono minori con temperature massime di 815 °C (1500 °F), le dimensioni sono di 76x76 mm, con spessori che variano da 10.4 a 51 mm. La tecnologia costruttiva utilizzata è molto particolare, un cuscino di fibre di silicio compreso fra un tessuto esterno di fibra di quarzo icona_chimica ed uno interno in fibre di vetro, cuciti con filo di quarzo e vetro e rivestite da un composto di silicio ad alta purità. Anche le AFRSI richiedono, in alcune zone un trattamento idrorepellente. Il sistema FRSI, costituisce la maggior parte del sistema TPS ed è utilizzato in tutte quelle zone dove le temperature sono inferiori a 400 °C (750 °F); esso è realizzato con un nastro di nomex trattato a caldo e ricoperto da un elastomero al silicone bianco. Queste protezioni non richiedono il trattamento idrorepellente, in quanto il materiale utilizzato è igrofobico per sua stessa natura.

ScienzaPerTutti_shuttle_TSPFRSI

Gli elementi del sistema FRSI rappresentano i componenti principali del Sistema di protezione termica dello Space Shuttle (TSP).

Il sistema RCC è quello che ha le migliori caratteristiche strutturali e di resistenza alle alte temperature, fino a circa 1630 °C (2960 °F), ed è realizzato come un composito di carbonio in matrice di carbonio, ottenuto attraverso un processo di pirolisi, a partire da un composito carbonio-resina fenolica Il processo di pirolisi, ripetuto tre volte, consente di trasformare la resina fenolica in carbonio. Lo svantaggio di tale materiale è quello di essere estremamente attaccabile da parte dell'ossigeno atomico generato dalle alte velocità di rientro, pertanto va protetto da un rivestimento superficiale per evitarne l'ossidazione.

ScienzaPerTutti_Space_Shuttle-Nose_Cap

Installazione del Nose Cap sull'Orbiter

Questo tipo di protezione è utilizzato in tutta le zone più critiche nel sottosistema strutturale dei bordi d'attacco (LESS - Leading Edge Structural Subsystem), costituito dal NOSE CAP (muso del velivolo) dal CHIN PANEL (sottostruttura muso) e bordo d’attacco dell’ala (WLE - Wing Leading Edge).

I Gap Fillers sono utilizzati per sigillare gli spazi fra le piastrelle, sono principalmente realizzati in tessuto ceramico, Nextel o Saffil su supporto in Inconel 718.

Le Thermal Barriers sono utilizzate per proteggere le componenti vitali dell'Orbiter da eventuali penetrazioni di flusso caldo di plasma (atmosfera ionizzata), i materiali utilizzati sono dello stesso tipo di quelli dei Gap Fillers.

Le guarnizioni termiche, Aerothermal Seals, sono invece utilizzate per ridurre il flusso di plasma all'interno delle cavità delle superfici di controllo e nelle aree del portellone di carico.

Gli 11 finestrini dell'Orbiter, denominati Window Thermal Panels, hanno la doppia funzione di assicurare la visibilità durante le missione e proteggere la cabina dai flussi termici; i finestrini sono realizzati con tre lastre di vetro, di cui solo la più esterna, sigillata con la fusoliera ha la funzione di protezione termica. Questa viene realizzata con un vetro temperato allumino-silicato ed ha uno spessore massimo di 33 mm nei finestrini anteriori.

Francesco Passeggio – Ingegnere


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