Je leest:

Kwetsbare hittetegels space shuttle onderzocht

Kwetsbare hittetegels space shuttle onderzocht

Auteur: | 27 juli 2005

Na de lancering onderzoekt de bemanning de hittewerende keramische tegels op de onderkant en vleugels van Discovery op beschadigingen. Ondertussen controleert NASA-personeel de opnames van de lancering. Ernstigste schade tot nu toe: een ingedeukte tegel bij het neuswiel.

Discovery is het eerste ruimteveer dat onder NASA’s aangescherpte veiligheidsregelement valt, en dat zal de bemanning weten ook. Hun orbiter is uitgerust met 112 camera’s die de kwetsbare hitteschilden tijdens de lancering in de gaten hielden.

Discovery’s hitteschild beschermt het ruimteveer tijdens de terugkeer naar de aarde tegen luchtwrijving. De shuttle heeft aan het begin van de re-entry een snelheid van Mach 26 (26 keer de geluidssnelheid) en de buitentemperatuur kan oplopen tot boven 1600 oC.

Op de eerste dag van de missie onderzocht Eileen Collins’ team de hitteschilden met een verlengde robotarm. Met de laser-meter aan het uiteinde gingen ze de meer dan 24.000 tegels af, op zoek naar gescheurde, gebroken of weggeslagen exemplaren. De klus duurde zo’n zeven uur.

Artist’s concept van de shuttle die met uitgeklapte robotarm zijn eigen buik onderzoekt. De normale robotarm van de shuttle is met reserveonderdelen bijna twee keer zo lang gemaakt, zodat hij tot onder het ruimteveer kan komen.

Neuswiel

Het onderzoek met de robotarm heeft al één beschadiging aan het licht gebracht. Tegels op de beschermkap van Discovery’s neuswiel vertonen volgens de shuttle-bemanning deuken. Dat betekent kiertjes in de harde buitenkant van de tegel. Hoe erg de schade is, kan door het strakke vluchtschema van Discovery pas vrijdag worden onderzocht: dan komt het ruimteveer in de buurt van het ruimtestation ISS.

Piloot James Kelly laat de shuttle voor de koppeling aan het ISS een pirouette maken, zodat ISS-bewoners Sergei Krikalev en John Phillips de onderkant kunnen inspecteren. De twee zullen de shuttle met digitale camera’s fotograferen en de beelden terugsturen naar de vluchtleiding op aarde.

Een camera op de externe brandstoftank (de grote roodbruine sigaar waar Discovery aan vast zit geplakt tijdens de lancering) pikte dit stukje puin op. Videobeelden laten zien dat het waarschijnlijk de onderkant van de shuttle heeft gemist. bron: NASA Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Na het Columbia-ongeluk, veroorzaakt doordat een stuk isolatieschuim een deel van het hitteschild wegsloeg, zijn alle ogen gericht op mogelijke schade tijdens de lancering. Een camera op de externe brandstoftank (de roodbruine sigaar waar Discovery aan vast zit geplakt tijdens de lancering) pikte een stukje puin op, dat minuten na de lancering loslaat en wegdwarrelt. Videobeelden laten zien dat het waarschijnlijk de onderkant van de shuttle heeft gemist.

Andere camera’s zagen seconden na de lancering gekleurde voorwerpen loskomen van de shuttle: “waarschijnlijk ongevaarlijke stukjes papier, die er toch af zouden bladderen”, reageerde Wayne Hale, assistent-directeur voor het shuttleprogramma. Ook een grote vogel die 2,5 seconde na de start tegen de externe brandstoftank opvloog heeft volgens NASA’s woordvoerders geen ernstige schade aangericht.

Het zal volgens NASA tot zondag duren voor alle opnames van de lancering zijn onderzocht. Naast de 112 camera’s aan boord van Discovery zelf zette de ruimtevaartorganisatie ook twee volgvliegtuigen in, die de shuttle tot op grote hoogte bleven fotograferen. Radars rond het Kennedy Space Center zochten ondertussen naar sporen van puin dat wegdrijft van Discovery; NASA liet niets aan het toeval over.

De hittewerende tegels onder de space shuttle lopen wel vaker schade op: hier een afbeelding van tegelbeschadigingen aan een van de drie raketuitlaten. bron: NASA

De zeven astronauten aan boord van Discovery maken tijdens hun missie ruimtewandelingen om in het luchtledige hittewerende tegels te repareren. Het gaan niet om de echte tegels onder de shuttle, maar vooraf gebroken testversies in het laadruim. Want ondanks 2,5 jaar hard werken is het NASA’s ingenieurs niet gelukt een perfecte reparatiemethode te ontwikkelen. Een onafhankelijke commissie had daar nog expliciet om gevraagd.

NASA richtte na de Columbia-ramp de Columbia Accident Investigation Board (CAIB) op. Onder leiding van Harold Gehman onderzocht de CAIB de ramp en kwam met scherpe kritiek op NASA’s veiligheidsvoorzieningen. Gehman’s team stelde negenentwintig aanpassingen aan de shuttle voor, waarvan vijftien voor de eerstvolgende vlucht gereed moesten zijn. Drie ervan zijn niet goed doorgevoerd, schrijft de onafhankelijke Return to Flight Task Group (Stafford-Covey-commissie) in haar eindrapport.

Het CAIB had NASA gevraagd te zorgen dat er geen isolatieschuim van de hoofdbrandstoftank meer los kon komen bij de start. Zulke losslaande brokken kunnen door de snelle windstroom langs de opstijgende shuttle flinke schade aanrichten. Het schuim wordt nu onder toezicht van twee controleurs aangebracht, maar: “Het is een hard feit dat er altijd schuim van de tank zal vallen”, aldus de Stafford-Covey-commissie.

De shuttle Columbia verongelukte doordat een stuk isolatieschuim 80 seconden na de start losliet en door de langsstormende lucht tegen de linkervleugel sloeg. Door de inslag ontstond een gat, waardoor bij de terugkeer in de dampkring gloeiendhete lucht naar binnen stroomde. bron: NASA / CBS Klik op de afbeelding voor negen stills van de opname.

NASA heeft sinds het Columbia-onderziek niet stilgezeten. De oranisatie verspijkerde voor anderhalf miljard dollar aan de drie overgebleven shuttles. Het ging ondermeer op aan extra camera’s, sensoren in de vleugels, een verlengde robotarm, verwarmde brandstofleidingen om de vorming van ijs dat tijdens de lancering losslaat tegen te gaan en natuurlijk aan onderzoek naar manieren om het hitteschild in de ruimte te repareren.

Al die moeite kon het CAIB niet bekoren. “Ik zou het woord ‘veilig’ niet willen gebruiken, zelfs niet na de aanpassingen van de afgelopen tweeënhalf jaar”, zei Gehman in een reactie tegen het persbureau AP.

De nieuwe sensoren in Discovery’s vleugels moeten de bemanning waarschuwen als er flinke schade ontstaat. bron: NASA

Keramiek

Discovery’s keramische tegels beschermen dan wel goed tegen hitte, ze zijn zelf erg kwetsbaar voor botsingen. De tegels bestaan uit een kern van glasschuim, omhuld door een koolstof-verbinding. De buitenste coating hecht helaas maar moeilijk aan het schuim, en kan makkelijk barsten. Toch zijn de tegels moeilijk te verbeteren, zegt Edward Plaquette, expert in hittewerende materialen van het Amerikaanse bedrijf Refractory Composites. “Ze zijn licht, maar heel goed bestand tegen hitte”, legt hij uit. “Tegelijkertijd kun je ze in allerlei vormen maken, ideaal om de rondingen van de shuttle mee te bedekken.”

De tegels zijn, eenmaal goed aangebracht, extreem hittebestendig, maar stevig zijn ze niet. Elke shuttle-vlucht weer raken er tegels los; NASA heeft een database met 15000 gevallen van afgebroken tegels. Geen wonder dat de organisatie zoekt naar vervangend materiaal – of een reparatiemethode. Dat blijkt lastiger dan het klinkt.

Barsten in de keramische buitenlaag van een hittewerende tegel ontstaan al bij relatief zachte botsingen. bron: Andy Walton / CNN

Michael Brieden onderzocht voor NASA materialen om beschadigingen aan het hitteschild te repareren. Een afdekplaat zo groot als een pizza, zegt hij, zou pas medio 2006 klaar zijn voor gebruik. Veel te laat voor het shuttle-programma, en niet goedkoop: het zou honderd miljoen dollar kosten om een volledige reparatie-set te bouwen en in het ISS op te slaan. Zelfs dan zouden ze niet gegarandeerd werken: elke taco-vormige plaat wipt namelijk een klein beetje omhoog vanaf de vleugel. Zulke oneffenheiden leiden hete lucht naar de beschadiging in de vleugel; extra belasting op de zwakke plek.

NASA ging op zoek naar een andere aanpak. Eén veelbelovend idee werkte met zelfhardende pasta uit een kitpistool. Nadeel was, dat het materiaal geen grote gaten in het hitteschild op kan vullen: het kon alleen barsten in de tegels behandelen. Uiteindelijk stemde de bemanning tegen dit materiaal; astronauten zouden er een onhandige tank bovenop hun ruimtepak voor moeten dragen, wat het aanbrengen niet makkelijker maakt. Tot overmaat van ramp bleek de kit in vacuüm te bubbelen en niet goed aan de tegels te hechten.

Astronaut Steve Robinson en het Japanse Discovery-bemanningslid Soichi Noguchi gaan in het vacuüm van Discovery’s geopende vrachtruim een variant op het kitpostool testen. Met een plamuurmes en een tube bedekken ze beschadigde tegels met een extra hittewerende laag. Binnen een paar minuten is de laag uitgehard en niet meer te bewerken. De behandelde tegels worden later op aarde getest.

Robinson en Noguchi proberen ook een kleinere variant van Brieden’s dekplaat uit: die lijmen ze op gaten in normale tegels, waarna zelfklemmende bouten het geheel vastzetten. Twee stuks van de originele kitpistolen zijn ook aan boord, maar worden niet getest. “Net als een schietstoel in een vliegtuig”, verklaart Robinson. “Je bent niet van plan ’m te gebruiken, maar hij is er als je ’m nodig hebt.”

De Japanse astronaut Soichi Noguchi test een kitpistool om in de ruimte barsten in het hitteschild van de space shuttle te repareren. bron: NASA. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Als puntje bij paaltje komt, heeft Discovery een paar onbewezen reparatiesets aan boord, geen werkende dekplaten voor gaten in het hitteschild. Mochten daar tijdens de lancering flinke gaten in zijn geslagen, dan staan er drie opties open: de gok nemen en met de beschadigingen proberen te landen, repareren met de ongeteste materialen aan boord, of…de twee miljard kostende shuttle verlaten en schuilen in het ISS. NASA moet dan binnen een maand de zustershuttle Atlantis lanceren om Discovery’s bemanning naar huis te halen.

Op die laatste situatie zit niemand te wachten. Het ISS is niet ontworpen om zoveel mensen zo lang te huisvesten, liet de huidige commandant Krikalev eerder dit jaar weten. Hij voorziet gezondheidsproblemen als de astronauten niet genoeg lichaamsbeweging krijgen om hun hart en botten in conditie te houden. In gewichtsloze toestand worden die veel minder belast dan normal; bij terugkeer naar aarde kunnen astronauten dan ook hartklachten krijgen.

Russische kosmonaut Alexander Kaleri bindt zich vast in de ‘tredmolen’. Door elastieken banden wordt hij op de loopband geduwd – een goedkope zwaartekrachtssimulatie. Een paar uren rennen per week houdt de botten en spieren van astronauten in conditie. Zonder zulke training raken ruimtereizigers spiermassa kwijt en ontkalken hun botten. bron: NASA. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Risico niet uit te bannen

“We gingen er niet vanuit dat we ál het vallende puin konden voorkomen”, zei vluchtleider John Shannon in een interview met CNN. “Maar we hebben wel het juiste gereedschap om de schade op te sporen en de ernst ervan in te schatten.” Inderdaad beschikt Discovery met zijn meer dan honderd camera’s, sensoren in de vleugels en robotarm over prima ‘ogen’ om eventuele schade op te nemen. En zelfs met schade kan de shuttle prima vliegen: elke vlucht laten er namelijk tegels los, zonder dat de shuttle enorme schade oploopt. De shuttle Atlantis landde ooit zelfs met vleugelschade die net iets minder erg was dan het gat dat Columbia fataal werd.

“De afgelopen tweeënhalf jaar hebben aanzienlijke verbeteringen opgeleverd”, zei NASA-topman Michael Griffin voor de originele lanceerdatum op 12 juli. “De shuttlevluchten zijn daardoor veel veiliger geworden. Maar het blijft een risicovolle onderneming.”

Zie verder

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 27 juli 2005
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.