Twee schokabsorberende strips staken uit de buik van het ruimteveer Discovery, en NASA zat met de handen in het haar. Tijdens de terugkeer in de dampkring verstoren die uitsteeksels namelijk de luchtstroom rond de shuttle. Het precieze effect daarvan kent niemand; zou Discovery verongelukken zoals haar zusterschip Columbia? NASA nam het zekere voor het onzekere en stuurde astronaut Steve Robinson op pad om de uitsteeksels te verwijderen. Op 3 augustus, bewapend met een tang en zelfgemaakte handzaag, wist hij de twee strips uit de romp te trekken.

“Dit is het nieuwe NASA”, legde assistent programmadirecteur Wayne Hale uit. “Als we niet zeker weten of het veilig is, willen we het risico niet nemen”, zei hij tijdens een persconferentie. Astronaut Steve Robinson moest nu onvoorbereid naar buiten om de strips los te trekken – of te zagen. Dat laatste bleek gelukkig niet nodig. Met twee vingers trok de astronaut het voegsel los.

Oneffenheden

De uitstekende strips aan Discovery’s onderkant kwamen aan het licht toen Discovery na zijn lancering het ruimtestation ISS naderde. ISS-bewoners Sergei Krikalev en John Phillips namen met telelenzen foto’s van Discovery’s onderkant. NASA is al sinds de lancering op 26 juli op zoek naar beschadigde tegels in Discovery’s hitteschild, maar de foto’s spoorden wel een ander probleem op. Vlakbij de neus en in de buurt van de vleugels kwamen uitstekende stukjes schokbreker aan het licht. Die dunne lagen hittewerend materiaal zitten tussen de hittewerende tegels en zorgen dat die niet tegen elkaar kunnen stoten. Tijdens de lancering moeten de twee strips zijn losgetrild. Ze staken 2,5 cm. (voor) en 1,5 cm. (achter) uit.

Oneffenheden van een paar centimeter groot vormen volgens NASA een flink risico voor de shuttle en haar bemanning. Tijdens de afdaling in de atmosfeer hoort de lucht in een gladde stroom om de shuttle te vloeien, waardoor de heetste lucht een eindje van het oppervlak blijft. Uitstekende delen verstoren de stroomlijn van de shuttle. Daardoor kan de oververhitte lucht direct langs de hitteschilden vloeien. De enorme hitte ontstaat door luchtwrijving met de atmosfeer; aan het begin van de afdaling beweegt Discovery 26 keer zo snel als het geluid.

NASA is bang dat het achterste uitsteeksel zo’n luchtstroom naar de vleugels zou leiden. Die krijgen tijdens de re-entry toch al hogere temperaturen te verwerken dan andere shuttle-onderdelen. Ook al kwamen er al eerder shuttles terug met soortgelijke beschadigingen, de ruimtevaartorganisatie neemt na het Columbia-ongeluk in februari 2003 geen enkel risico meer. En dus moest Steve Robinson tijdens de derde ruimtewandeling van Discovery’s dertiendaagse missie bijna onvoorbereid naar buiten om het probleem op te lossen.

Handzaag

Volgens NASA’s technici kan Robinson de isolatiestrips met de hand lostrekken. Het lastigste deel van de ruimtewandeling was de trip naar de beschadigde buik van het ruimteveer. Robinson ging daar naartoe op de robotarm van het ISS. Mochten de strips steviger vastzitten dan verwacht, dan had de astronaut een inderhaast gemaakt zaagje bij zich om het uitstekende deel te verwijderen.

Assistent programmadirecteur Hale verzekerde de pers dat er veiligheidsmaatregelen zijn om te voorkomen dat Robinson tijdens zijn ruimtewandeling de hittewerende tegels onder de shuttle beschadigd. “Ons ruimtewandeling-team vindt zulke uitdagingen geweldig, hier leven ze voor”, meldde hij optimistisch.

Een uitdaging is de reparatie zeker: nog nooit in de geschiedenis van de bemande ruimtevaart heeft een astronaut met geïmproviseerd gereedschap zijn eigen ruimteschip hoeven te repareren. NASA’s beslissing om de shuttle-vloot na Discovery’s landing aan de grond te houden, terwijl opnieuw naar het probleem van isolatieschuim en het makkelijk te beschadigen hitteschild wordt gekeken, klinkt steeds verstandiger.

Ingestuurde vragen

Onze bezoekers stuurden e-mails vol vragen over het hitteschild en de uitstekende voegjes. Hieronder die vragen en de antwoorden van de auteur en van prof. dr. Theo Dingemans, faculteit Lucht- en Ruimtevaart van de TU Delft.

“Kan het geen kwaad die tussenstukjes weg te halen?”

(Beantwoord door de auteur)

Die tussenstukjes hebben een functie, waarom kunnen ze nu ineens weggehaald worden zonder gevolgen? Het losraken van die tussenstukjes veroorzaakt schade, maar waarom die losse tussenstukjes niet beter bevestigen? Nu halen ze die zichtbare uitstekende deeltjes weg, maar dat is nog geen garantie dat er straks nieuwe deeltjes losraken.

De tussenstukjes zijn vooral belangrijk tijdens de lancering. Dat is geen zachte lift-rit naar boven, maar een rammelende, schokkende kwelling. De hele shuttle trilt onder het geweld van de raketaandrijving. Die duwt zo hard, dat de inzittenden vier keer zo zwaar zijn als normaal, net zoals je iets zwaarder wordt als een lift optrekt op een trip naar de bovenste verdieping. De tussenstukjes zijn er voor om te zorgen dat de keramieken tegels niet tegen elkaar stoten en barsten. Eigenlijk kun je je de tegels goed voorstellen als hittewerende negerzoenen. Goed bestand tegen temperatuur, maar: één klein tikje en ze barsten. Tijdens de terugkeer in de dampkring trilt de shuttle veel minder dan tijdens de lancering. De schokbrekende voegen zijn dan niet meer (zo hard) nodig. De tussenstukjes zitten trouwens vastgelijmd, maar kunnen door de rammelende lancering losraken; ongetwijfeld een probleem dat NASA aan gaat pakken! De komende maanden staat de shuttlevloot weer aan de grond terwijl men over het schip kruipt en problemen op probeert te lossen. Overigens konden er nu zeker nog andere stukjes voegmateriaal uitsteken (Steve Robinson moest daar gisteren ook nog even naar zoeken), al waren die niet op foto’s te zien. Robinson rapporteerde dat het bij deze twee bleef. Het echte lostrillen gebeurt vooral tijdens de lancering; in vrije val werken er geen krachten die het voegsel naar buiten duwen.

Zitten met het weghalen ervan de hittebestendige tegels nog goed verankerd aan het toestel?

De hittewerende tegels zitten met een eigen lijmlaag aan de shuttle bevestigd; de schokbrekende strips worden daar later apart tussengevoegd. De tegels zitten met vlakken van 15 cm. breed aan de romp gelijmd; lekker veel contactoppervlak. De strips hebben maar een breedte van millimeters tot een centimeter – veel lastiger vast te lijmen dus. Vandaar dat ze ook makkelijker loskomen.

Hoe zit het met de sleuven die zijn ontstaan door het weghalen van de tussenvoegsels? Kunnen die geen zwakke plekken in het hitteschild veroorzaken, zodat de hitte daar binnen kan dringen? De sleuven leken me nogal diep, kan de hitte op die plekken niet dichter op de cabine komen dan voor heen?

Eigenlijk is het hitteschild van de shuttle al de tweede verdedigingslinie tegen de hitte van terugkeer in de dampkring. Door sleufjes tussen de tegels kan inderdaad hete lucht de shuttle zelf bereiken en schade aanrichten, maar dat effect is minder erg, dan het verbreken van de stroomlijn van de shuttle. De sleufjes zorgen alleen voor schade waar ze zelf zitten; de uitsteeksels hadden veel grotere effecten gehad.

Als de shuttle (met 26 keer de geluidssnelheid – 30.000 km/h!) de dampkring inraast, vormt zich al snel een schokgolf voor en onder de shuttle. Samengeperste lucht die met de shuttle meebeweegt en als buffer dient, eigenlijk. Om die bufferlaag heen raast nu de rest van de dampkring in een gladde luchtstroom.

De gigantische snelheid zorgt voor flinke luchtwrijving, en de bufferlaag bereikt temperaturen tussen 2000 en 3000 graden Celsius. Letterlijk gloeiend heet. Ter vergelijking: het oppervlak van de zon heeft een temperatuur van 6000 graden Celsius! De bufferlaag van lucht beschermd de shuttle nu tegen het ergste van die temperatuur, maar de hittewerende tegels moeten nog steeds bestand zijn tegen 1200 tot 1500 graden Celsius. Niet niks voor geschuimd glas met een keramisch glazuurlaagje.

Als de Shuttle geen mooie gladde buik heeft, vormt zich geen gladde luchtstroom maar ontstaan er rukwinden en wervels. De echt hete lucht kan daardoor dichter bij de shuttle zelf komen en legt een extra zware last op de hittewerende tegels. Als die bezwijken, begint de shuttle zelf schade op te lopen: langzaam smeltende stutten in de vleugels, doorbrandende kabels, noem maar op. En dat alles doordat stukjes tegelvoegsel uitsteken en de stroomlijn verstoren.

Het uitstekende materiaal was trouwens niet gruwelijk gevaarlijk; Discovery en andere shuttles zijn wel eerder met zulke oneffenheden geland. Levert wat schade op, die is te repareren, maar is niet levensgevaarlijk. NASA wilde deze keer geen enkel risico nemen en stuurde daarom Robinson op pad om de strips los te trekken.

“Waarom klikken de tegels niet als laminaat in elkaar?”

(Beantwoord door prof. dr. Theo Dingemans, faculteit Lucht- en Ruimtevaart van de TU Delft)

Er wordt verteld dat het voegmateriaal tijdens de lancering naar buiten kan trillen. Hieruit maak ik op dat de hittetegels een vlakke zijkant hebben. Waarom hebben de tegels geen in elkaar passende, golvende zijkant (overdreven als klik laminaat), dan zou het voegsel door zijn vorm er toch tussen blijven zitten?

De meeste tegeltjes zijn inderdaad aan alle kanten vlak (ik heb er een aantal in mijn kantoor ter bezichtiging) en het idee om ze golvende zijkant te voorzien stuit op twee bezwaren:

1- De tegeltjes zijn vrij moeilijk te maken en net als allerlei ander keramische artikelen is er veel “uitval” dwz tegeltjes die men niet kan gebruiken omdat de dimensies niet voldoen aan de zeer strikte specificaties. Daarbij komt dat ieder tegeltje uniek is en maar op één plaats op de shuttle past! Daarnaast worden er uiteraard nog tegeltjes afgekeurd omdat ze simpelweg het productie proces niet overleefd hebben en barstjes of andere kleine beschadigingen vertonen. Dus vanuit een praktisch oogpunt wordt dus echt erg lastig om naar een nog complexere tegel vorm te gaan zoals het voorgestelde “golvende” profiel!

2- Een ander praktisch probleem zou de kop op steken bij de vervanging van beschadigde tegeltjes. Een klik laminaat systeem is natuurlijk prachtig maar wat nu als midden in de kamer een paneeltje vervangen moet worden? Juist, dan moet de hele boel los. Dit zou dan ook het geval zijn bij de shuttle en is om die reden niet erg praktisch.

De juiste oplossing om het voegmateriaal (‘gapfiller’) op z’n plaats te houden is het vast te lijmen met behulp van een speciale lijm die men ook gebruikt om de tegeltjes aan de shuttle te bevestigen, het zgn. RTV (Room-Temperature Vulcanizing Adhesive) ofwel een silicone lijm die bij kamertemperatuur hard wordt. Zoals duidelijk op TV te zien was kwam het voegmateriaal er erg makkelijk uit tijdens de ruimtewandeling en het zag ernaar uit dat het nooit echt (goed) was vast gehecht. Mijn eerste indruk was dan ook dat bij een reparatie in het verleden dit stukje voegmateriaal niet goed was vast gelijmd.