航天飞机的课文原文
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一架飞机在天空自由自在地飞着。他一会儿俯冲，一会儿爬升，一会儿翻筋斗，觉得很得意。
突然一声呼啸，一个庞然大物腾空而起。只见他三角形的翅膀，尖尖的脑袋，方方的机尾，转眼间便飞得无影无踪了。飞机想：“这是什么呀？怎么飞得这样快呢？”
他找到智慧老人，想问个究竟。智慧老人笑着说：“刚才你见到的是航天飞机。他比你飞得更高更快。你能飞两万米高就不错了，他却能飞几十万米高。从东海之滨到帕米尔高原，你要飞行四个多小时，他只需要飞行七分钟。”智慧老人停了停，又说：“航天飞机的本领可大了！他能绕着地球转圈圈，在太空中释放和回收人造地球卫星。卫星出了毛病，他就伸出巨大的手臂把卫星捞回机舱，带到地面上来维修。”
飞机越听越不自在，智慧老人看出了飞机的心思，亲切他说：“航天飞机有他的长处，你也有你的长处。你的作用也是航天飞机替代不了的呀！”
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航天飞机的隔热材料是什么原理？
用于航天飞机的隔热材料，加热至2200摄氏度，出炉就能直接用手摸。这么厉害的是什么材料呢？
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无机非金属材料工程学士，户外达人
图中那坨红色的是否达到了2200℃我表示质疑....但这个材料就是隔热用的泡沫陶瓷，把碳系、硅系和硼系的一些耐高温陶瓷做成疏松多孔的泡沫结构，用在航天器上很普遍了。关于C-Si-B系高温陶瓷就不多介绍了，Google一下能搜到很多相关的知识。航空泡沫陶瓷的基本原理就是通过材料本身的耐高温性能和结构上的隔热功能，当里面达到上千度的高温时，外面还处于室温状态。从结构的角度来分析隔热保温材料的原理：在热量传递的过程中，所遇到的界面越多，屏障就越多，传递速度就越低，保温隔热效果越好。另外除了上面所说的泡沫陶瓷之外，航天器中用的隔热材料通常还与涂料搭配使用，在最大轻量化的情况下，最大满足隔热效果和机械、力学强度。
应该是华氏度，折合摄氏度1200左右
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(C)2016果壳网&&&&京ICP证100430号&&&&京网文[-239号&&&&新出发京零字东150005号航天飞机热保护系统中使用的材料
来源：AZO materials
发表时间：
美国宇航局设计航天飞机时遇到了大量的挑战。这种航天飞机可重复多次将宇航员和空间用货物送入低地球轨道，然后它将重新进入地球的大气，回到地面上。
图1：2009年11月16日弗罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心发射的亚特兰蒂斯号航天飞机
图片来源：Jose Antonio Perez /
美国宇航局设计航天飞机时遇到了大量的挑战。这种航天飞机可重复多次将宇航员和空间用货物送入低地球轨道，然后它将重新进入地球的大气，回到地面上。为了抵御高温，美国航空航天局设计了航天飞机防热系统（TPS）。
太空旅行的背景
总共6架航天飞机，分别是哥伦比亚号，挑战者号，发现号，奋进号，亚特兰蒂斯号和企业号，发射了5架。第一次发射是在1977年由企业号完成的，作为无动力滑翔机由波音747飞机搭载，并进行了大量的大气试验。1981年，哥伦比亚号航天飞机首航太空。这一成功后，很快的1983年挑战者号，1984年亚特兰蒂斯号和1985年发现号成功发射。
图2:准备起飞的航天飞机
图片来源：Alan Freed /
奋进号是由于1986挑战者号的灾难而制造的，灾难是由于在固体火箭助推器一个O型密封圈断裂，挑战者号航天飞机升空后73秒解体，没有生还者。2003，哥伦比亚号在重新进入大气层时爆炸。这两个事件后，这种太空旅行的安全性遭到质疑，2011年7月21日，亚特兰蒂斯号航天飞机完成了航天飞机的最后一次飞行，其余三名退役。
热防护材料
所有的航天飞机都覆盖了TPS材料，保护航天飞机再入大气层时的高温和外层空间低温，温度范围为-121°C到1649°C.
有一个复杂的材料层包括TPS材料，来保证宇航员和货物在飞行过程中的安全。
前盖，前盖和前起落架门之间的地区，箭头尾部的前起落架门和机翼的边缘使用了增强碳-碳（RCC）复合材料的生产。该复合材料是能够承受航天飞机上温度1260°C以上的高温，温度低于这个温度，美国航空航天局使用刚性二氧化硅砖/纤维隔热材料。
使用瓷砖是基于由Lockheed Missiles & Space Company拥有的专利，该专利是一种在返航期间作为对高温保护进行的工作的，可重用的由陶瓷纤维制成的隔热瓦。一个可重复使用的绝缘系统，可以直接键合到一个轻量级的铝制机身上，这对NASA很有吸引力，所以NASA的TPS焦点转向使用瓷砖。
TPS的很大一部分是由高温可重复使用的表面绝缘（HRSI）和低温可重复使用的表面绝缘（lrsi）组成。HRSI和lrsi之间的主要区别是用在他们的表面涂层。
在HRSI瓷砖上，一个黑色的硼硅酸盐玻璃涂层用来保护航天飞机温度达1260°C以上。 lrsi瓷砖上的白色涂料的使用需要保持对动力热控制的目的，航天飞机的lrsi覆盖区域达到的温度高达649°C。
瓷砖是由the Lockheed Missiles & Space Company制造，其中大部分为两种不同的类型；LI-900（密度为144 kg/m3）和LI-2200（密度为352kg／m3）。在航天飞机计划中，美国国家航空航天局对瓷砖做了改进和加深对热环境的认识。这导致了瓷砖成分一些变化，使瓷砖更有效。
图3：TPS的材料层分解示意图
图片来源：Wikimedia Commons / NASA / Caltech
位于门上的LI-2200瓷砖最终都由纤维复合耐火绝缘复合材料取代，这有助于减少航天飞机总重量。除此之外，特别是在哥伦比亚号失事后，美国宇航局想提高飞机来自轨道碎片的破坏的能力。这是由波音公司开发固化绝缘技术。
在图3中可以观察到航天飞机有很大一部分是涂Nomex&到可重复使用的表面绝缘材料。航天飞机的这些位置包括舱门，中间的机身和后机身两侧的温度将低于371°C。
当哥伦比亚号交付给NASA组装时，工程师们已经制定了优越的绝缘材料，被称为先进灵活的可重复使用的表面绝缘材料（ARSI）。ARSIs是提升是两个白色织物层之间有一个复合绗缝织物的复合材料。同时提供耐久性，也减少了安装时间和航天飞机的成本。LRSIs更主要的优点是有助于减少亚特兰蒂斯号与发现号的重量。哥伦比亚号第七个任务完成后，它被维修和在机翼上部用ARSIs替换LRSIs。奋进号生产时机翼上部就已经使用ARSIs了。
应变隔离垫和室温硫化有机硅粘合剂用于粘结瓷砖。在应变隔离垫粘结到瓷砖上之前，其内模线是加密的。这有助于在瓷砖的应变隔离垫的接口处应力集中荷载均匀分布。气体被阻止进入瓷砖粘结线内，通过位于下方的瓷砖瓦间隙的填料棒。间隙填料也使用在将受高压和极端的声载荷的位置。
粘合表面主要是铝，但在许多其他基板上使用了石墨环氧树脂，钛，铍。
航天飞机的外壳部分地区TPS不能完全提供保护，需要进一步的保护。这些主要是承受压差的TPS瓷砖间隙位置，反应控制系统（RCS）和航天飞机的窗户。
热玻璃被使用在航天飞机的窗户位置，承受高压力和高温。同时工程师联合使用黑色和白色硅胶布作为热间隙填料。这些包括主起落架门，出/入口的飞行机组侧舱门，RCS推力器，机身中段排气门和有效载荷舱门。RCS的整流罩是由铬镍铁合金制成的。
增强碳-碳符合材料
在前门和机翼前缘，航天飞机将承受非常高的温度（大于1260°C）。因此需要可以承受发射和返回过程中高温环境的先进材料。
跟美国航空航天局的工程师一起，德克萨斯达拉斯的沃特公司开发了RCC一种复合材料。RCC的生产，先是通过固化预浸（酚醛树脂）的石墨纤维织物热解，石墨布已粗修剪，聚合物树脂转化为碳，然后浸渍糠醇。进一步的裂解增加了这种材料的密度，从而改进机械性能。
由于碳的化学性质，碳化硅涂层可以防止碳底物的氧化。氧化会对基板的机械性能和一直要求在高要求的环境中多次飞行的航天飞机产生不利影响。碳化硅涂层是由转换（扩散层）碳-碳材料最外层产生更高剪切强度的涂层而生产的。
图4：在哥伦比亚号航天飞机灾难调查的冲击试验中，RCC材料的前缘面板上的一个孔。聚氨酯泡沫用来以850km/h的速度冲击机翼
图片来源：Wikimedia Commons / Colombia Accident Investigation Board
然而，所需形成碳化硅涂层的温度（~ 1648°C）是如此之高，由于涂层和基材之间不同的热膨胀系数，的冷却至室温的过程中涂层中的裂纹发生。这个问题可以通过碳浸渍硅酸乙酯碳基板解决和使用刷胶防止对暴露在空气中的碳的氧化破坏。
通过真空浸渍，正硅酸乙酯被施加到衬底上，也有助于填充任何剩余孔隙度。以正硅酸乙酯固化，孔壁内部分涂有二氧化硅抑制氧化。然后一种硅酸钠密封胶被刷在玻璃RCC表面上，填补裂纹和形成玻璃。在高温下，这些裂纹闭合和密封剂流到表面，但由于具有高粘度密封胶残留在构件上，当碳碳冷却，密封形成一种玻璃再回填的龟裂纹。
RCC的应用，是由于其具有对外部的辐射特性和交叉辐射的绝热能力。作为一个结果，热可以通过交叉辐射，从下表面冷却器到上表面的材料，从而降低温度。
改进和最终的退休
通过这个计划，变美国宇航局改进了航天飞机的设计，使其更安全和更有效。
这包括哥伦比亚号的灾难对RCC的修改，这次灾难的发生是从航天飞机外部燃料箱的一块绝缘材料（ET）脱落对机翼的破坏，再返回大气层时高温引起飞机的破坏。RCC材料冲击破坏最初并没有在设计规范中考虑，因此RCC是容易受到碰撞的。
美国宇航局的工程师们从这个事件中得到的一个很大的教训；大的碎片可以从外部箱中脱落，可能撞击RCC材料。他们对外部箱进行了轻微的改进，确保大的碎片不容易脱落，但是更小尺寸的碎片仍然可以脱落。
图5：在肯尼迪航天中心着陆后，亚特兰蒂斯号航天飞机正在返回，完成于2011年7月21日的航天飞机计划的最后一次飞行
图片来源：Wikimedia Commons / NASA
因此他们开发的临界破坏准则使用的是检测数据。他们在一个广泛的电弧喷射设备来更好地模拟再入化学和温度条件下测试RCC材料。这使得NASA验证新开发的热数学模型和建立破坏准则。
美国宇航局在航天飞机的机翼上安装了44个传感器，可以让宇航员获得实时数据。这些数据也可以发送到地面的工程师，来监测在起飞后任何损伤的演化。
除了哥伦比亚航天飞机（2003），可以说在航天飞机上的TPSs是安全有效的。先进的涂料和材料的发展使航天飞机有效地运行了30年。持续改进和维修为工程师积累了经验，提高了航天飞机的安全性。
总体资金的缺乏导致美国宇航局的航天飞机计划最终停止，终止于2011年7月21日亚特兰蒂斯号完成的最后一次飞行。2004年布什总统下令，它应该在2010年终止，但最终被推迟到2011年。
据报道每次航天飞机任务花费15亿美元，俄罗斯航天局提供的联盟号飞船，每名宇航员话费6300万美元，作为继续把宇航员送到国际空间站的方法。
然而，美国宇航局今年早些时候宣布，波音公司和SpaceX公司已获得一项合同，接管美国空间系统能够搭载宇航员进入低地球轨道建设。航天飞机计划可能已经成为过去，但其遗产继续发挥作用。
参考文献：
Protection System (TPS) Materials - NASA
Shuttle Thermal Protection Systems (TPS) - Materials Design & Research
Protection Systems - NASA (PDF)
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