スペースシャトルの熱保護システム

スペースシャトルの耐熱システム（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保護するバリアです。第二の目的は、軌道上で宇宙の熱と寒さから保護することでした。^[1]

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。

• 強化カーボン-カーボン(RCC)。ノーズ キャップ、ノーズ キャップとノーズ ランディング ギア ドアの間の顎部分、ノーズ ランディング ギア ドアの後ろの矢じり、および翼の前縁に使用されます。再突入温度が 1,260 °C (2,300 °F) を超える場合に使用されます。
• オービターの底面に使用される、高温再利用可能表面断熱材 (HRSI) タイル。コーティングされたLI-900シリカ セラミックで作られています。再突入温度が 1,260 °C 未満の場合に使用されます。
• 繊維質耐火複合断熱材 (FRCI) タイルは、強度、耐久性、コーティングのひび割れ耐性、および軽量化を向上させるために使用されます。一部の HRSI タイルはこのタイプに置き換えられました。
• フレキシブル断熱ブランケット (FIB) は、キルティング加工されたフレキシブルなブランケットのような表面断熱材です。再突入時の温度が 649 °C (1,200 °F) 未満の場合に使用されます。
• 低温再利用可能表面断熱材 (LRSI) タイルは、以前は胴体上部に使用されていましたが、ほとんどが FIB に置き換えられました。FIB とほぼ同様の温度範囲で使用されます。
• 強化一体繊維断熱材 (TUFI) タイルは、1996 年に導入された、より強度が高く丈夫なタイルです。高温および低温の場所で使用されます。
• フェルトの再利用可能な表面断熱材 (FRSI)。上部のペイロード ベイ ドア、胴体中央部と胴体後部側面の一部、翼上部表面の一部、およびOMS/RCSポッドの一部に、白いNomexフェルト ブランケットが使用されています。温度が 371 °C (700 °F) 未満に保たれる場所で使用されます。

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。

再利用可能

これまでの宇宙船では、一般的にアブレーション熱シールドが使用されていましたが、これは再突入時に燃え尽きるため、再利用できませんでした。この断熱材は堅牢で信頼性が高く、使い捨てという性質は使い捨ての宇宙船に適していました。対照的に、再利用可能なシャトルには、再利用可能な熱保護システムが必要でした。

軽量

以前のアブレーション熱シールドは非常に重かった。たとえば、アポロ司令船のアブレーション熱シールドは、機体重量の約 15% を占めていた。有翼シャトルは以前の宇宙船よりも表面積がはるかに大きかったため、軽量の TPS が不可欠だった。

壊れやすい

1970 年代初頭に、必要な熱特性と重量特性を備えた唯一の既知の技術は、密度が非常に低いため非常に壊れやすく、TPS タイルを手で簡単に押しつぶすことができました。^{[引用が必要]}

オービターのアルミニウム構造は、構造上の破損を起こさずに175℃（347℉）を超える温度に耐えることができませんでした。^[2] 再突入時の空力加熱により、一部の領域では温度がこのレベルをはるかに超えるため、効果的な断熱材が必要でした。

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、手をこすり合わせて温めるのと似ています。オービタは、広い下面を飛行方向に向け、非常に高い (40°)迎え角を持つ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経験する加熱の 80% 以上は、圧力と温度の基本的な熱力学的関係に従って、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、熱のほとんどを逸らして、オービタの表面がピーク熱に直接接触するのを防ぎました。したがって、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。^[要出典]

一部の高温金属合金は再突入時の熱に耐えられる。つまり、単に高温になって吸収した熱を再放射するだけである。ヒートシンク熱保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重くなり、乗り物の性能に重大なペナルティを課すことになる。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特性を乱す可能性があり、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る。(残念ながら、当初は打ち上げ時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号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、上昇中に必ず生じる損傷のために、着陸のたびに綿密に検査および修理する必要があった。)

TPS は、シリカ タイルだけでなく、さまざまな保護タイプで構成されるシステムです。TPS は、タイル TPS と非タイル TPS の 2 つの基本カテゴリに分かれています。^[1]主な選択基準は、特定のエリアの熱に対処できる最も軽量の保護でした。ただし、追加の耐衝撃性が必要な場合は、より重いタイプが使用される場合もありました。FIB ブランケットは、主にメンテナンスの軽減のために採用されたものであり、熱や重量の理由によるもの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た。 ^[1] 断熱材は、下にあるオービターのアルミニウム外皮と構造への熱伝導を防いだ。これらのタイルは熱伝導率が非常に悪く、赤く熱くなったまま端をつかむことができた。^[3] 約 24,300 個のタイルが個別に機体に取り付けられており、^[4]オービターは「空飛ぶレンガ工場」と呼ばれている。^{[5] [6]}ミネソタ大学と ペンシルベニア州立大学の研究者は、原子および分子酸素とシリカ表面との相互作用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行し、極超音速機の前縁用のより優れた高温酸化防止システムを開発している。^[7]

タイルは機体に機械的に固定されたのではなく、接着された。もろいタイルは機体の外板に合わせて曲がることができないため、室温加硫型（RTV）シリコーン接着剤でノーメックスフェルト製のひずみ隔離パッド（SIP）に接着され、さらにこの接着剤がオービターの外板に接着された。これにより、タイルはオービターの構造的たわみや膨張から隔離された。^[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人年の作業が必要だったが、これは接着剤がすぐに乾燥し、タイルを2枚貼るごとに新しいバッチを作らなければならなかったためでもある。技術者が接着剤に唾を吐いて乾燥を遅らせるという場当たり的な対策が、1988年まで一般的な方法だったが、その年にタイルの危険性に関する研究で唾が接着剤の接着力を弱めることが明らかになった。^[8]

黒い HRSI タイルは、最高 1,260 °C (2,300 °F) の温度から保護します。着陸装置のドア、外部燃料タンクのアンビリカル接続ドア、およびオービターの残りの下面を覆う 20,548 枚の HRSI タイルがありました。また、上部前方胴体、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、および上部ボディ フラップ表面の領域にも使用されました。厚さは、再突入中に受ける熱負荷に応じて 1 ～ 5 インチ (2.5 ～ 12.7 cm) でした。閉鎖領域を除き、これらのタイルは通常 6 x 6 インチ (15 x 15 cm) の正方形でした。HRSI タイルは、高純度シリカ繊維で構成されていました。タイルの体積の90%は空間で、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。

タイルの黒い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ホウ素シリサイドとホウケイ酸ガラスが含まれていました。^{[9] RCGは多孔質}シリカを保護し、ヒートシンク特性を高め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。コーティングは、コーティングされていない面（下面）に隣接する側面の小さな余白には施されていませんでした。タイルを防水するために、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ることができました。

コーティングされていない HRSI タイルを手に持つと、非常に軽いフォームのように感じられ、発泡スチロールよりも密度が低く、繊細で砕けやすい素材であるため、損傷を防ぐために細心の注意を払って取り扱わなければなりません。コーティングは薄くて硬い殻のように感じられ、コーティングされていない側を除いて、白い絶縁セラミックを包み込んで砕けやすさを解消します。コーティングされたタイルでさえ、非常に軽く感じられ、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。シリカであるため、無臭で不活性です。^{[引用が必要]}

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圧縮で、上層大気のガスとスペースシャトルの船体との間の相互作用によって発生、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、コーティングのひび割れ耐性、軽量化が向上しました。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 年に使用された、より強くて丈夫なタイル。TUFI タイルは、オービターの下部に使用する高温用の黒色バージョンと、上部に使用する低温用の白色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ますが、白色バージョンは熱伝導率が高いため、オービターの上部フラップとメインエンジン領域にのみ使用が制限されていました。黒色バージョンはオービターの下部に十分な断熱性がありましたが、重量が重かったです。これらの要因により、使用が特定の領域に制限されました。^[1]

白色のタイルは、翼の前縁付近を覆っていた。また、胴体前部、中部、後部、垂直尾翼、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) 未満の領域を保護した。LRSIタイルは、タイルの大きさが8 x 8インチ (20 x 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色のRCGコーティングが施されていることを除いて、HRSIタイルと同じ方法で製造された。^[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 回のミッションに再利用できます (100 回のミッションは、各オービターの設計寿命でもありました)。各ミッションの後にオービター処理施設で慎重に検査され、損傷または摩耗したタイルは次のミッションの前にすぐに交換されました。必要に応じて、ギャップ フィラーと呼ばれる布シートもタイルの間に挿入されました。これにより、タイルがぴったりとフィットし、余分なプラズマがタイルの間に浸透するのを防ぎながら、下にある機体外板の 熱膨張と屈曲を許容します。

FIB ブランケットが導入される前は、LRSI タイルが、胴体上部や 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すべての領域を占めていました。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。

コロンビア号の最初の納入後に開発され、チャレンジャー号のOMSポッドで初めて使用されました。^[10]この白色の低密度繊維状シリカの詰め物素材はキルトのような外観をしており、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がはるかに少なくて済みましたが、熱特性はほぼ同じでした。チャレンジャー号で限定的に使用された後、ディスカバリー号からより広範囲に使用されるようになり、チャレンジャー号の喪失後にコロンビア号のLRSIタイルの多くに取って代わりました。

再突入時の最高 1,510 °C (2,750 °F) の温度に耐えるライトグレーの素材が、翼の前縁とノーズ キャップを保護しました。各オービターの翼には、厚さ約1 ⁄ 4～1 ⁄ 2インチ (6.4 ～ 12.7 mm) のRCCパネルが22 枚ありました。各パネル間の T シールにより、これらのパネルと翼の間の熱膨張と横方向の動きが許容されました。

RCC は、フェノール樹脂を含浸させた炭素繊維で作られた積層複合材料です。オートクレーブで高温で硬化させた後、積層物を熱分解して樹脂を純粋な炭素に変換します。次に、真空チャンバーでフルフラールアルコールを含浸させ、再度硬化させて熱分解し、フルフラールアルコールを炭素に変換します。このプロセスは、目的の炭素-炭素特性が達成されるまで 3 回繰り返されました。

再利用できるように耐酸化性を持たせるため、RCC の外層はシリコンカーバイドでコーティングされました。シリコンカーバイドコーティングは炭素繊維を酸化から保護しました。RCC は上昇および突入時に受ける疲労荷重に対して非常に耐性がありました。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、オービターの外部燃料タンクへの前方接続ポイント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である翼の前縁とノーズキャップの構造サポートとしても機能する唯一の TPS 素材でした。その他のすべての TPS コンポーネント (タイルとブランケット) は、それらをサポートする構造素材 (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。

この白い柔軟な布地は、最高 371 °C (700 °F) まで保護を提供しました。FRSI は、オービターの上部翼表面、上部ペイロード ベイ ドア、OMS/RCS ポッドの一部、および後部胴体を覆いました。

ドアと可動面には隙間を埋める部品が取り付けられ、渦の形成を防ぎ、加熱を最小限に抑えます。ドアと可動面により、熱保護システムに隙間ができるため、熱から保護する必要があります。これらの隙間の一部は安全でしたが、表面圧力の勾配により、これらの隙間で境界層の空気の横流が発生する熱シールドの領域がいくつかありました。

充填材は、白い AB312 繊維または黒い AB312 布カバー (アルミナ繊維を含む) 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、サイド ハッチ、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、およびシャトルのメイン 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、安全上のリスクとなる可能性があると判断されました。隙間を埋める素材が機体のさらに下方に乱気流を引き起こし、その結果、非常に高い温度が発生し、軌道船が損傷する恐れがありました。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高の耐熱特性を持っていますが、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す。一般的に、目標は必要な耐熱性と一致する最も軽量の断熱材を使用することです。各 TPS タイプの密度:

各 TPS タイプの総面積と重量 (1996 年以前の Orbiter 102 で使用):

タイルが頻繁に剥がれ落ち、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、政府と軍から早期の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ること以外に、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ていた。これは間違いだった。ロックウェルのタイル張り職人の中にはフロリダが嫌いな人もいて、すぐにカリフォルニアに戻ってきてしまった。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 人の作業員には小さすぎた。^[12]

タイルはセメントで固められており、硬化に16時間かかった。タイルをセメントに固定した後、ジャッキでさらに16時間固定した。1979年3月、作業員1人あたりタイル1枚を40時間かけて設置したが、夏季に若くて有能な大学生を投入することで、作業員1人あたり1週間あたり1.8枚のタイルを設置できるペースにまでスピードアップした。数千枚のタイルがストレステストに合格せず、交換する必要があった。秋までにNASAはタイル張りのスピードが打ち上げ日を左右することを認識した。タイルは問題が大きかったため、関係者は他の熱保護方法に切り替えただろうが、他に方法はなかった。^[12]

タイルを全て取り外して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。^[13]

タイルの TPS は、シャトル開発中、主に接着の信頼性に関する懸念事項でした。一部のエンジニアは、1 つのタイルが剥がれ、その結果生じる空気力学的圧力によって「ジッパー効果」が発生し、他のタイルが剥がれるという故障モードが存在する可能性があると考えました。上昇中または再突入中を問わず、結果は悲惨なものになるでしょう。

もう 1 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す。破片が除去されず、タイルが破片による損傷を受けやすい状態が続いたため、この問題は完全には解決されていませんでした。この問題を軽減するための NASA 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損傷を積極的に検査、評価、および対処することでした。

こうした懸念は非常に大きかったため、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内修理キットと、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 パックを装備させることでした。

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軌道船の下の壊れやすいタイルに固定する、操作可能な作業プラットフォームでした。このコンセプトでは、電気制御の粘着カップを使用して、作業プラットフォームを特徴のないタイルの表面に固定しました。1981 年の STS-1 打ち上げの約 1 年前に、NASA は修復機能には追加のリスクとトレーニングに見合わないと判断し、開発を中止しました。^[14] 修復ツールと技術には未解決の問題があり、さらにテストを行った結果、タイルが剥がれる可能性は低いことがわかりました。最初のシャトル ミッションではタイルがいくつか失われましたが、それらは重要ではない領域で発生し、「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TPS の故障により再突入時に破壊されました。調査チームは、この事故の原因として、打ち上げ時に発泡スチロール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入り込み、翼を内側から分解し、最終的に制御不能となってシャトルが分解したことが考えられると結論付け、報告しました。

スペースシャトルの耐熱システムは、事故後、数多くの制御と改良を受けました。それらは、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機のシャトル、ディスカバリー、アトランティス、エンデバーに適用されました。

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。遠隔操作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のレーザー画像撮影を行い、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（単に360°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平らに切断するのが最善であると慎重に決定した。それぞれの突出は3cm（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。

探査機の底面にはつかみ所がなかったため（探査機が再突入すると、突き出た隙間埋め材よりもさらに大きな問題を引き起こすため）、宇宙飛行士のスティーブン・K・ロビンソンはISSのロボットアームであるカナダアーム2から作業を行った。TPSタイルはかなり壊れやすいため、探査機の下で作業すると、探査機にさらに損傷を与える恐れがあったが、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感じた。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^{[アップデート]}が迫る中、NASAは学校、大学、博物館にTPSタイルを送料1枚あたり23.40ドルで寄贈していた。^[15]先着順で約7000枚のタイルが販売されたが、1機関あたり1枚までに制限されていた。^[15]

Wikinewsには関連ニュースがあります:

• スペースシャトル エンデバーの翼に「へこみ」発見

• スペースシャトル計画
• スペースシャトルコロンビア号の事故
• コロンビア事故調査委員会

• 「スペース シャトルがついに飛行するとき」、リック ゴアによる記事。ナショナル ジオグラフィック(pp. 316–347。第 159 巻、第 3 号、1981 年 3 月)。http://www.datamanos2.com/columbia/natgeomar81.html
• スペースシャトルオペレーターズマニュアル、ケリー・マーク・ジョエルズとグレッグ・ケネディ著（Ballantine Books、1982年）。
• 『コロンビアの航海：最初の本当の宇宙船』、リチャード・S・ルイス著（コロンビア大学出版、1984年）。
• スペースシャトル年表、ジョン・F・ギルマーティンとジョン・マウアー著（NASA ジョンソン宇宙センター、1988 年）。
• 『スペースシャトル：探求は続く』、ジョージ・フォレス著（イアン・アラン、1989年）。
• 情報要約: カウントダウン! NASA の打ち上げロケットと施設(NASA PMS 018-B (KSC)、1991 年 10 月)。
• 『スペースシャトル：国家宇宙輸送システム開発の歴史』、デニス・ジェンキンス著（Walsworth Publishing Company、1996年）。
• 米国の有人宇宙飛行：1961年から1998年までの業績の記録。NASA – 航空宇宙史モノグラフ第9号、1998年7月。
• スペースシャトルの熱保護システム、ゲイリー・ミルグロム著。2013 年 2 月。iTunes 電子書籍を無料でダウンロードできます。https://itunes.apple.com/us/book/space-shuttle-thermal-protection/id591095660?mt=11

• https://web.archive.org/web/20060909094330/http://www-pao.ksc.nasa.gov/kscpao/nasafact/tps.htm
• https://web.archive.org/web/20110707103505/http://ww3.albint.com/about/research/Pages/protectionSystems.aspx
• http://science.ksc.nasa.gov/shuttle/technology/sts-newsref/sts_sys.html 2009-07-15 にWayback Machineにアーカイブされました
• https://web.archive.org/web/20160307090308/http://science.ksc.nasa.gov/shuttle/nexgen/Nexgen_Downloads/Shuttle_Gordon_TPS-PUBLIC_Appendix.pdf