feljton
Orbitni avion'Buran'– labudova pesma sovjetske kosmonautike ili ... preko trnja do zvezda?
Tokom 70-ih i 80-ih godina Sovjetski Savez je razvio kosmoplan sa krilima poznat pod imenom 'Буран'('Mećava'), koji je zapravo bio odgovor na uočenu vojnu pretnju američkog programa spejs šatlova. Razvoj 'Бурана'je sproveden u okviru programa tzv. 'višekratnog kosmičkog transportnog sistema', ili MTКС-a, koji se sastojao od orbitera sa krilima i teške rakete-nosača 'Energija'.
Buran: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 |
TERMIČKA ZAŠTITA
Svi se sećaju 'cigli' kojima su bili obloženi američki šatlovi u cilju zaštite od paklene toplote prilikom sletanja. Međutim, kada je tokom uzletanja šatla 'Columbia'u februaru 2003. otpao jedan komad zaštitne penaste obloge sa glavnog rezervoara za gorivo, niko nije znao da je pena udarila u koren levog krila i probila rupu veličine lubenice u jednoj termozaštitnoj ojačanoj karbon-karbonploči. Prilikom povratka, vrelina je ušla kroz rupu, istopila konstrukciju i dovela do raspada čitavog šatla. Niko od posade nije ni shvatio šta se dogodilo…[1]
Kako su sovjetski inženjeri rešili problem velikih temperatura? Godinama se kasnije pričalo da su njihovi materijali bili bolji od američkih…
Ekstremni termički uslovi tokom ulaska u atmosferu terali su inženjere da pronađu rešenje kako se zaštiti[2]. Utvrđeno je da superfina vlakna silicijum-oksida (analize svih komponenti zaštite su pokazale sposobnost da značajno oslabe transfer toplotne energije korišćenjem vlakana debljine 1,5-2 mikrona) sposobna da smanje termičko zračenje i povećaju disperziju toplote radi zaštite strukture planera.
Za dobru toplotnu zaštitu potrebno je zadovoljiti različite zahteve: čvrstoću pločica, lakoću, otpornost na visoke temperature, slabu toplotnu provodljivost, visok stepen zatamljenosti (80-90%), otpornost na oksidiranje, mnogo još koječega. Sve to je navelo sovjetske tehnologe da naprave pločice od kvarcnih vlakana.
U zonama snažnog zagrevanja (iznad 1250°[3]), na 'nosu' i napadnim ivicama krilâ, bilo je neophodno postaviti vrlo otporne materijale koji sadrže ugljenik jer temperature mogu da dosegnu i do 1650°C. U zonama gde temperatura ne prelazi 370°C zaštita je mogla da bude i od organskih jedinjenja…
Radeći naporno na izučavanju tehnika proizvodnje termičkih pločica, dobijene su termomehaničke karakteristike bolje nego kod inostranih konkurenata.
Dobijene pločice su imale sledeće karakteristike: veliki broj upotreba (do 100 ciklusa), vazne varijacije u temperaturi (od 150°Cdo 1650°C), vizak koeficijenat termoprovodljivosti od 0,06 W/(m·K) na 100°C, 0,12 W/(m·K) na 1100°C, koeficijenat dilatacije od 7/10.000.000 i gustina manja od 0,15 g/cm3.
Da bi pločice bile efikasne, morale su da budu napravljene od čistog materijala, sa minimalnom količinom nečistoća (posebno alkalina). Koncentracija silicijum-dioksida je bila 99,9%, što je osiguravalo stabilnu kristalizaciju amorfnog kvarca i garantovalo svojstva materijala.
Gore levo: početna silicijumska vlakna (uvećanje ×2000). Gore desno: posle disperzije i formiranja (×2000). Dole levo i desno: posle termičkog tretmana (×5000 i ×15.000), čvrstoća materijala je skočila sa 0,7 na 4 (!) kg/cm2.
Konstruktivno, elemenat toplotne zaštite je bila pločica termozaštitnog materijala sa spoljnjim staklastim slojem debljine 0,3 mm, zalepljena za noseću konstrukciju planera preko specijalnog elastičnog sloja. Taj sloj je služio kao izolator između konstrukcije planera i zaštite, a sprečavao je stvaranje napona u pločicama prilikom redovnih deformacija konstrukcije.
Pločice su bile porozne i površina im je bila prekrivena lakom hidroizolacijom, koja je izgorela prilikom ulaska u atmosferu.
Pločice su pokrivale čitavu površinu letilice, a slagane su tako da imaju zazore okolo koji su uzimali u obzir deformacije usled porasta temperature i različitih mehaničkih opterećenja tokom leta. Ti zazori, koji nisu prelazili 0,3-0,5 mm, služili su i za cirkulaciju vrelog vazduha, a tamo gde je prolazak vrelog vazduha bio opasan, razmak je bio manji – 0,8 do 1,4 mm.
Razmak između pojedinih pločica, u zavisnosti od njihove lokacije na trupu, bili su potpuno popunjavani kvarcnim vlaknima (slika levo). Desno je vidan raspored pločica na delu prilikom transporta u muzej.
Lepljenje termozaštite. Za spajanje slojeva termozaštitnih slojeva i svih drugih elemenata korišćen je hladni lepak 'Эластосил 137-175М'na osnovi modifikovane silikonske organske gume.
Postavljanje pločica i sva testiranja su završena! Posle faze sušenja 'Буран'je bio spreman za lansiranje!
Na orbiteru su se nalazile crne pločice(mnogo otpornije), koje su bile lepljene na donjim površinama kosmoplana i najnapregnutijim površinama, i bele pločicekoje su tokom orbitnog leta obezbeđivale proračunatu temperaturu zagrevanja usled Sunčevog zračenja gornjih površina planera.
U zonama na planeru gde temperatura nije prelazila 370°, korišćeni su termozaštitni materijali od organskih vlakana spajani šivenjem.
U termo-najopterećenijim zonama planera (preko 1250°), gde je temperatura prevazilazila mogućnosti pločica (vrh trupa i ivice krila), upotrebljen je 'karbon-karbonski' materijal 'Гравимол'[4]gustine 1,85 g/cm3. Sa spoljnje strane tog materijala nanošen je antioksidacioni premaz na osnovi molibdenskog disilicida.
Raspored temperaturnih opterećenja na trupu 'Буранa'.
Veza pločica je morala da bude savršena, tako da je bilo po 100 referentnih tačaka za lepljenje svake od njih. Svaka faza je strogo dokumentovana, a procedure i kontrola obavljani su računarski. Na kraju, snaga štita je opet kontrolisana laserski, akustičnim i neutronskim topovima, rendgenom, elektronskim mikroskopom itd. Na grafikonima su prikazane proračunske vrednosti, koje su u momentu ateriranja obezbeđivali da aluminijumski nosači planera ne trpe temperaturu višu od 160°C.
Slaganje pločica je bilo drugačije od američkog šatla(donja polovina grafikona). 'Буран'nije imao trouglaste ili pločice sa oštrim uglovima, i svi dugački spojevi su bili normalni na tok plazme. Time su smanjivane aerodinamičke turbulencije tokom leta. Ukupno, bilo je 38.600 pločica, od čega je oko 6000 bilo 'neregularno' ili posebno složeno. Pločice su imale dimenzije od 150×150 mm do 200×200 mm.
Koga interesuje, može da pogleda slog pločica u visokoj rezoluciji ovde, ovde, ovde, rovdeiovde
Tokom jedinog leta u kosmos, toplotna zaštita je položila ispit sa izvrsnom ocenom – otpalo je samo 8 (!) pločica[5].
Posao sa zaštitnim pločicama je bio izuzetno obavljen!
Stanje posle prvog leta...
[1]Ipak je bilo preživelih! Grupa crvića (~1 mm) zvanih Caenorhabditis elegans, pronađena je posle 2 meseca u aluminijumskim kontejnerina gde su živeli kao deo Nasinog biološkog eksperimenta.
Ne mogu da izdržima a da ne kažem da su mnogi Amerikanci kasnije preko neta prodavali delove šatla za debele pare, iako je NASA molila i kumila da se svi delovi predaju radi istrage…
[2]Ne treba se baviti romantikom – glavni zadatak se krio u rešavanju zaštite bojevih glava koje su iz kosmičkih visina balistički padale ogromnom brzinom na Zemlju. Kako njih zaštititi... a sve ostalo je išlo kao predjelo.
[3]Čelik se topi na 1350°C (prim.prev).
[4]Naziv materijala je nastao kao skraćenica naziva preduzeća koja su učestvovala u njegovom stvaranju: НИИ 'Графит',ВИАМ i НПО 'Молния'.
[5]Prvi američki šatl je imao 24.000 pločica, a posle sletanja trebalo je zameniti 192 pločice.
Buran: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 |
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
