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LA PROTECTION THERMIQUE DE L' ORBITER
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La protection thermique de l' Orbiter est constituée de plusieurs matériaux différents appliqués extérieurement sur la carlingue de l' engin. Le véhicule étant essentiellement construit en alliage d' aluminium et en graphite époxy, il a fallu le recouvrir d' isolant thermique afin de résister à la longue et dure traversée des couches denses de l' atmosphère. Durant la rentrée dans l' atmosphère, la protection thermique de l' Orbiter doit résister à des températures supérieure à + 1650°C. En plus elle doit être réutilisable pour 100 missions après reconditionnement et maintenance. Le matériau employé doit résister au grand froid de l' espace, avec des -121°C jusqu' au + 167°C.
Test de la TPS des Orbiters en 1975 à Langley Virginie UNE HISTOIRE DE TUILES... Les matériaux utilisés sur l' Orbiter sont passifs. Ils sont sélectionnés pour leur tenue aux hautes températures et leur faible masse. Sur le premier Orbiter Columbia, quatre matériaux de base avaient été sélectionnés, le carbone renforcé, RCC, les tuiles de silice basses et hautes températures LRSI et HRSI et les plaques FLRSI. D' autres matériaux développés plus tard ont été utilisés sur certaines zones. Ce sont les couvertures isolantes flexibles, FIB et l' isolant réfractaire en fibre composite, FRCI. Il y a à peu prés 24300 tuiles et 2300 couvertures isolantes flexible sur chaque Orbiter. _ Le Reinforced Carbon Carbon, RCC, à base de carbone composite est de couleur gris clair. Le RCC lié avec des isolants en feuille d' inconel (métal) et des plaques de quartz protége le nez de l' orbiter (AB312), le menton, les bord d' attaque de la voilure et la zone autour du point d' attache antérieur avec le réservoir extérieur (au moment de la séparation pyrotechnique), soit 39 m2. Le RCC protége contre les températures dépassant 1260°C pendant la rentrée. Le nez de l' Orbiter est fabriqué d' une seule pièce (diamètre 1,5 m), tandis que les bords d' attaque des ailes est constitué de 22 panneaux en U assemblés mécaniquement à la structure et jointés. Le RCC occupe 135 m2 des surface sur l' Orbiter.
Presque 70% de la surface de l' Orbiter est protégé de la chaleur de la rentrée dans l' atmosphère par prés de 24000 tuiles en silice. Chaque tuiles de silice est fabriquée par Lockheed Corporation à la place des traditionnels boucliers ablatifs des premiers vaisseaux. _ Les tuiles HRSI High Reusable Surface Insulation sont utilisées principalement sur le dessous de l' Orbiter et autour des hublots du cockpit. Quelques tuiles HRSI sont aussi utilisées sur les pods OMS/ RCS, le bord d' attaque de la dérive verticale (les arrêtes des aérofreins), le dessous des ailes, les élevons, la base du bouclier thermique et le dessus du body flap. Elles sont utilisées là ou la température est en dessous de 1260°C. Sur Columbia, elles sont utilisées sur la partie supérieure de la dérive verticale (le SILT). Ses tuiles sont de couleur noire. _ Les tuiles blanches isolantes réutilisables basse température, Low temperature Reusable Surface Insulation LRSI sont utilisées sur des surfaces ou la température est inférieure à 650°C. Les tuiles LRSI sont utilisées sur le haut du fuselage avant, les cotés et l' arrière du fuselage, la dérive verticale, le dessus des ailes et les pods OMS/RCS. Les tuiles sont de forme, densité et d' épaisseur différentes. En moyenne, les LRSI blanches (LI900) mesurent 20 cm de coté pour une épaisseur de 0,9 à 3,5 cm et une densité de 4 kg/m3. Elles sont recouvertes de 10 mm d'oxyde d'aluminium destiné à réfléchir le rayonnement solaire et protéger de l'eau. Il existe trois types de tuiles noires HRSI qui protége le dessous de l'Orbiter. Elles sont plus petite, 15 cm de coté, pour une épaisseur variant de 2,5 à 10,2 cm (sur la partie arrière) et une densité de 9,9 kg par m3 sur certaines. Les HRSI couvrent une surface de 480 m2. Chaque tuile est donc unique, et porte un numéro de série, destiné à s' intégrer dans le grand puzzle de l' Orbiter. Les LRSI et les HRSI sont constituées de silice en fibre très pure (99,9%) et d' air dans le rapport 90/10. La surface supérieure et les quatre cotés latéraux sont " glacés", c' est à dire que l' on y dépose une couche de verre à base de borosilicate. Les tuiles ainsi enduites sont placées dans un four à 1260°C. La principale qualité de ces tuiles est leur coefficient d' émissivité voisin du corps noir, soit 0,85 qui permet une bonne dissipation de la chaleur par rayonnement et une absorption de 85% du rayonnement solaire reçu. Le défaut principal est leur fragilité, elles craignent les coup d'ongle, rayures et projections diverses. Depuis les déboires pour la préparation du premier orbiter de vol en 1979/80, les techniciens essaient d' assurer le minimum de maintenance sur ces tuiles après un vol. Dans tous les cas, les tuiles cassées ou éraflées peuvent être réparées. Un nouveau bâtiment de fabrication et d' assemblage pour la protection thermique de l' orbiter a ouvert ses portes en 1988 au KSC. Deux autres bâtiments sont situés chez Loockeed Sunnyvale Plant et Rockwell international Palmdale en californie. Au moment du lancement, durant l' ascension, en orbite et au retour, les tuiles sont soumis à de très rudes épreuves mécaniques, comme les vibrations, l' accélération, les pressions, etc... Pour réduire les dommages, les tuiles sont collées sur la carlingue de l' orbiter par l' intermédiaire d' une couche "élastique" qui joue le rôle d' isolant et d' amortisseur, le Strain Isolation Pod, une aramide nommée "Nomex", dont l' épaisseur varie entre 2 et 4 mm. Le Nomex est d' abord lié à la tuile, puis l' ensemble est collé à la structure par une colle à base de silicone (0,2 mm d' épaisseur). Au retour de chaque mission, les tuiles étaient vaporisées d' un produit densifiant, en fait un stabilisateur jouant le rôle de ciment, pour boucher les quelques rayures et crevasses présentes. La grande majorité des tuiles blanches qui recouvre les Orbiters sont des LI900 plus légères. On trouve également près de 3000 tuiles FRCI 12 plus épaisse, les Fibrous Refractory Composite Insulation, imprégnées de fibres de Nexel borosilicate (boron) pour une plus grande solidité. D'une densité de 5,5 kg par m3, elle remplace depuis 1984 les LI 2200 plus lourde installé autour du nez, les portes de train et les panneaux ombilicaux. Seulement 500 des tuiles LI 2200 sont restés sur les Orbiter jusqu'à présent. 30% du fuselage supérieur, soit 173 m2 est protégé par des feuilles de Nomex dont l'épaisseur varie de 0,4 à 1 cm. A ces endroits, les températures ne dépasse pas les 371°C. Une couche de peinture élastomère blanc glacé en silicone protège de l'eau et du rayonnement solaire. Certaines tuiles HRSI ont été remplacé par du carbone carbone RCC notamment sous le menton pendant la pause forcée de 1987-88. LES COUVERTURES THERMIQUES DU SHUTTLE Après la livraison du premier Orbiter de vol,
Columbia, de nouveaux matériaux ont été développés pour la protection
durant la rentrée dans l' atmosphère. Des couvertures isolante ont
maintenant remplacé les tuiles de silices sur les Orbiter. Nommées AFRSI,
elles sont à base de fibre de silice prises en sandwitch entre du tissu de
quartz tissé. Les couvertures sont cousues ensemble et renforcées avec du fils
de quartz qui donne une apparence "piquée".
Les couvertures Advanced Flexible Reusable Surface Insulation AFRSI permettent d' améliorer la productibilité et la longévité en réduisant les temps et les coûts de fabrication et d' installation ainsi que le poids par rapport aux tuiles LRSI. Les couvertures AFRSI protégent là où les températures sont inférieure à 650°C et sur les zones où les charges aérodynamiques sont faibles.
Le Felt Reutilisable Surface
Insulation,
FRSI est un matériau constitué d' un matelas de tissu isolant cousu entre deux
couches de tissu blanc, le tout cousu ensemble pour former une plaque. Ce
matériau le "Quilite" est fabriqué par plusieurs filiales de
Maniville Corp pour Loockeed. Le FRSI a progressivement remplacer les AFRSI sur
les Orbiter Discovey et
Atlantis en 1995-96. Quand Discovery a été livré à la NASA en 1984, il avait 648 tuiles de silice contre 6208 pour Challenger. Près de 2200 couvertures ont été colées sur l'Orbiter, sur les cotés du fuselage, le dessus des ailes, la dérive verticale, le bas des portes de soute et le compartiment équipage. L'utilisation de ce nouveau matériaux ainsi que des tuiles en borosilicate a permit de réduire la masse de la TPS de 500 kg (8475 kg pour Columbia). Le développement des couvertures AFRSI, réalisé à base de silice Q fibres comme les tuiles commence en 1978 au centre Ames près de San Francisco. Après des essais en tunnel, les couvertures sont testées à Edwards AFB sur le fuselage d'un avion F 104. Les essais terminés et concluant, 2 m2 de couvertures sont colées sur Columbia pour la mission STS 2. Rockwell assemble chaque morceau de couverture de 91 cm avec la silce livrée par Manville. Résistant à des températures allant jusqu'à 649°C, leur épaisseur varie entre 1,1 cm et 2,4 cm. Comme les tuiles, elles sont colées grâce à de l'adhésif siliconé rouge RTV (Room Temperature Vulcanisation).
Légère, ayant la même densité que les tuiles classique, elles n'ont pas besoin du SIP (Strain Isolation Pad), le feutre placé entre la carlingue de l'Orbiter et les tuiles ce qui réduit un petit peu la masse. Ce feutre est nécessaire pour absorber les déformations entre la cellule et les tuiles. La réalisation de ces couvertures flexibles appelé Fibrous Refractory Composite Insulation (FRCI) pourra remplacer les quelques 23 000 tuiles haute température HRSI sur le dessous de l'Orbiter. Le fragile tétra-silice et le verre en borosilicate qui donnent la couleur noire aux tuiles pourra aussi être incorporé afin de garantir une protection en surface jusqu'à 1260°C. Les tuiles AFRSI ont été utilisé sur les Orbiter Discovey et Atlantis pour remplacer la plupart des tuiles LRSI. Après le septième vol de Columbia (61 C) en janvier 1986, les ingénieurs ont intégré ce nouveau matériau en remplacement des anciennes tuiles LRSI pendant la pause de 1986-88.
UTILISATION DES COUVERTURES THERMIQUES Le premier vol de Challenger en 1983 est aussi le premier vol avec les couvertures thermiques AFRSI. La partie avant des pods OMS ainsi que certaines parties des élevons sont recouverte de ce matériau (80 plaques). Au cours de ce vol, deux couvertures des pods OMS sont arrachées et trois autres sérieusement érodées pendant l'ascension. La cause est du à l'interaction entre l'oxygène atomique présent dans l'atmosphère et le produit imperméabilisant injecté dans les couvertures. Pour STS 7, la NASA remplace 22 couvertures à l'avant sur chaque pod par 142 tuiles LRSI en laissant seulement 47 en place. Par précaution 170 tuiles sont rajoutées pour STS 8 en août 1983, laissant seulement 14 couvertures sur chaque pod. Au cours de ce vol, Challenger est doté de 8 plaques de AFRSI de 30 cm sur 40 afin de tester le matériaux qui sera installé sur Discovery. Elles sont situées à quatre endroits près des hublots de la cabine, sur le devant et au milieu du fuselage latéral gauche et sur le dessus de l'aile gauche. Comme sur STS 2, ces plaques reviennent sur terre sans dommage. Trois autres couvertures sont aussi mise sur la palette DFI dans la soute exposées au vide spatial. Tandis que Discovery inaugure l'utilisation des couvertures thermique donnant cet aspect rugueux aux Orbiters, la protection thermique des pods OMS de Challenger est à nouveau modifiée. Sur l'avant des pods sont colées 20 tuiles noires HRSI entourées de 70 tuiles blanches pour la mission 41G, les couvertures AFRSI recouvrant les 2 autres tiers du pod. La mission est un succès le remède adopté. Discovery se voit équipé du même remède sur son pod gauche seulement pour la mission 51G en juin 1985 et Atlantis son pod droit pour son premier vol en octobre suivant. Challenger revole avec son seul pod droit "taché" de noir en novembre 1985 pour 61A tandis que pour la tragique mission 51L, elle est équipé de ces deux pods tachés. Juste avant Columbia pour son vol 61B est équipé avec deux pods tachés de noir. Après l'accident de 1986, les Orbiters retournent dans l'espace chacun avec les pods OMS tachés de noir. La protection thermique de Columbia est remis à jour avec des couverture AFRSI en 1989. Depuis 1990, la TPS des Orbiters est à peu près au même niveau de modernisation après la dernière période de maintenance de Columbia en 1990. Avec ce nouveau matériaux aucun incident similaire à celui rencontré sur STS 6 ne s'est jamais reproduit. Pour STS 64 en septembre 1994, l'équipage a noté qu'un morceau de plaque (5 cm sur 2) AFRSI sur le pod OMS s'était détachée près des tuiles LRSI sans conséquence pour la rentrée. Un incident similaire s'était aussi produit sur STS 50 avec Columbia sur le pod OMS LP05.
Beaucoup de tuiles LRSI et de plaques FRSI ont été remplacés par le FIB, Flexible Insulation Blankets, composé de tissus piqué imperméabilisé à base de silice et de verre. Le FIB est très léger, il coûte moins cher et il est plus facile à poser que les tuiles classiques. Le FIB est utilisé sur les cotés du fuselage, des sections des portes de soute, de la dérive verticale et des aérofreins, le bord de fuite et le dessus arrière des ailes, les élevons et autour des hublots d' observation. Les tuiles LRSI sont maintenant seulement utilisées sur le dessus du fuselage avant et les pods OMS/RCS. En orbite, leur couleur blanche permet une meilleure dissipation thermique. Les tuiles LRSI restent encore utilisées sur le dessus du fuselage près des hublots et sur les pods OMS.
Autres types de couvertures thermiques, le Felt Reusable Surface Insulation (FRSI) qui protége l'Orbiter des températures moyennes. Cette protection est enduite avec de la peinture siliconé caoutchouteuse blanche. Les FRSI couvrent 25£ de la surface des Orbiters. Il est utilisé seulement sur le dessus des portes de soute et sur l'intérieur du dessus des ailes Quelques tuiles HRSI ont été remplacé par le Fibrous Refractory Composite Insulation (FRCI-12), plus légère mais aussi solide (composé de 80% de silice et 20% de Nextal AB312 Alumina-Borosilicate-Fiber développé par 3M). Il est utilisé autour des zones d'entrées d'air. Un enduit fin est déposé dessus. Cet enduit RCG (reaction-cured glass) est physiquement assimilable au verre des fenêtres épais de 2 mm. Le problème avec le RCG est qu'il ne se lie pas avec la tuile et lors d'un choc il se fend ou s'ébrèche.
Autres types de protections, les joint et barrières thermiques utilisés pour "boucher" les trous entre les tuiles et entre les tuiles et la structure. Les joints protégent la structure en aluminium et graphite époxy du flux de la rentrée atmosphérique. Ce sont par exemple les vitres thermiques des hublots, le métal "Cérachrome" des carénages des moteurs RCS avant et des joints des élevons sur les ailes, une étoffe en silice peinte dans une combinaison de blanc et de noir utilisée pour boucher les trous et les interstices dans les portes de train d' atterrissage, la porte d' accès à l' Orbiter, les trappes ombilicales, les élevons, le système RCS avant et les tuyères, les accès au milieu du fuselage, les portes de soute, la gouverne de direction et les aérofreins, les pods OMS/RCS, les trous entre les tuiles thermiques et les zones de hautes pression, ainsi que sur les cotés à l' arrière de l' Orbiter au niveau des liaisons ombilicales sur le pad. Le Microlite, une fibre de verre isole la cloison arrière de la cabine et le Min K isole l' enregistreur de vol. Tous ces systèmes de protection thermique, tuiles et couvertures sont colées sur la structure de l'Orbiter par de la colle RTV, très résistante aux variations de température. Les tuiles HRSI, LRSI et les FRCI sont fabriquées par Lockheed Missiles & Space Cie de Sunnyvale en Californie. Rockwell est responsable de la fabrication des couvertures AFRSI auprès d' autres firmes.
Les tuiles Toughened Uni Piece Fibrous Insulation TUFI ont été développé en 1993 et ont été testé dans certaines zones sur Endeavour STS 59 en 1994 (bouclier thermique entre les moteurs SSME). Elles remplacent 304 tuiles HRSI sur le bouclier thermqiue des moteurs SSME et le dessous du body flap. Elles seront aussi utilisées autour des portes du train d' atterrissage et sur les pods RCS avant. Ces tuiles noires sont beaucoup plus résistante aux dommages que les HRSI qu' elles remplacent. Contrairement aux tuiles classiques, la couche RCG est directement imprégné dans les pores de la tuile la rendant plus solide et moins sensible aux dommages extérieurs.
MATERIAUX DE PROTECTION THERMIQUE
Chaque matériaux listé ci dessous est suivit d' un numéro qui indique le nombre de tuiles ou de plaques installés sur chaque Orbiter. Pour Atlantis par exemple, il y a 501 HRSI, de grande densité et 20
047 de faible densité, 2945 tuiles FRCI, de densité moyenne, 699 tuiles LRSI,
2277 couvertures AFRSI et 977 couvertures FRSI. OV 102 Columbia: 31 000 tuiles LRSI et HRSI, du RCC et par la suite en 1990 du Quilite pour remplacer les tuiles LRSI. OV 099 Challenger: Les tuiles HRSI, le RCC ainsi que du Quilite qui remplace 600 tuiles blanches LRSI. Des plaques de Quilite recouvrent aussi le dessus des portes de soute et les cotés du fuselage. OV 103 Discovery: La grande majorité des tuiles LRSI est remplacée par du Quilite. OV 104 Atlantis: Le Quiilite remplace toutes les tuiles LRSI et des tuiles noires FRCI remplacent quelques tuiles HRSI. Après chaque vol, l' ensemble de la protection thermique des Orbiters est ré-imperméabilisée. Du DMES, dimethyllethoxysilane est injecté entre chaque tuile au travers d' un trou dans sa surface avec un pistolet à petite aiguille et les couvertures AFRSI sont injectées par le même produit à l' aide d' un autre pistolet à aiguille. A noter que cette opérations de ré-imperméabilisation avait été décidé depuis le début du programme mais elle a été ignoré dans les premiers vols. Quand la NASA a finalement décidé de le faire, un produit commercial a été utilisé (de chez 3M) avant d' en développer un spécifique et définitif.
Fuselage d'Endeavour
Dessin de l'avant d'Atlantis
LA PROTECTION THERMIQUE DE LA NAVETTE ET SES RADIATEURS Les radiateurs sont formés de 8 panneaux de 5 m de long et occupent toute la surface interne des deux grandes portes qui ferment la soute de l'orbiteur. Quand les portes sont ouvertes en orbite, les radiateurs peuvent rejeter dans l'espace le trop plein de chaleur des systèmes électriques et hydrauliques, des équipements de navigation, de la cabine de l'équipage, du système de contrôle de l'environnement et du système d'expérimentation de bord. L'ensemble de régulation du débit remplit plusieurs fonctions cruciales. Il contrôle le débit des radiateurs, afin de maintenir la température du fréon alimentant les différents systèmes par un réglage permanent, lorsque les radiateurs passent de la lumière vive du Soleil à l'ombre froide de la Terre. Il équilibre les changements rapides de température dans le système hydraulique et surveille le débit autour des radiateurs lors de l'ascension et du retour de l'orbiteur, quand la soute est fermée. L'équipage peut augmenter la température et provoquer l'évaporation du surplus d'humidité produit par le système des cellules de carburant lorsque c'est nécessaire et empêcher le réseau en eau de l'orbiteur de geler. Chaque fois que la navette spatiale fait sa rentrée dans l'atmosphère terrestre, le rôle le plus difficile de la mission est tenu par un matériau unique, appelé le Reinforced Carbon Carbon (RCC) , celui-ci doit, en effet, protéger le nez du véhicule et l'extrémité des ailes des températures approchant les 2 000 0C, niveau auquel tous les métaux actuels fondraient. Le RCC est, essentiellement, un matériau carbone, fabriqué pour renforcer la résistance et traité pour résister à l'oxydation, lorsque l'orbiteur rejoint l'atmosphère à des vitesses de près de 27 000 km/h, à chacun de ses retours de l'espace. A des températures nocives pour les métaux, le RCC devient, paradoxalement, plus résistant. Il procure une excellente résistance aux chocs et permet une transition rapide de - 156 0C dans l'espace à 1 648 0C lors de sa rentrée dans l'atmosphère. Le matériau a la longévité exceptionnelle nécessaire aux quelques cent missions prévues. Chaque aile de l'orbiteur est pourvue de 44 panneaux de RCC, qui forment la structure principale de la surface portante de l'aile, plus 44 bandes d'étanchéité et plusieurs pièces de raccord. Avec leur nez de 1,5 m2 de diamètre, ces panneaux forment plus de 135 m2 de protection pour la navette. Après avoir atteint son orbite, la navette ouvre sa grande soute des charges utiles et expose les 600 m2 de radiateurs argentés qui procurent la température adéquate aux systèmes de fonctionnement, au compartiment de l'équipage et le cas échéant au laboratoire spatial "Spacelab".
Barrières thermiques et joints calfeutrant.
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Scan Dennis Jenkins
