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使用数字式温度计,测量热防护系统瓦片-福禄克仪表在航空航天中的应用

美国福禄克公司北京代表处 2008-03-04 00:00:00

  当美国发现号航天飞机在 2005 年夏天带着巨大的轰鸣直入太空时福禄克的仪表也随它一起穿越了地球的大气层。

  这并不是福禄克仪表的首次太空之旅。在此之前,福禄克的测试工具经常被招来以超越地球的重力。但是这次,它却承担着真正重要的使命。

  Fluke 54 系列 II 数字式温度计和 80PK-27 表面接触探头专为太空中使用精心打造,安装在热防护保护系统 (TPS) 瓦片中,保护着航天飞机不会受大气摩擦产生的极高热量的影响,甚至在寒冷的太空真空中也能够进行维修。

  发现号在 2005 年夏天的重返太空之旅,是自哥伦比亚号航天飞机的悲剧事故之后的首次航天飞机飞行。除了向国际空间站输送补给和设备之外,历时 12 天的飞行使命还包括在太空中进行以前从未进行过的检查与维修技术测试。身着由铝、聚酯和织物制成的太空防护服的 Fluke 54,伴随着宇航员们完成了第 5 天的太空行走。

  在太空中实施维修成为上次哥伦比亚号航天飞机失事后人们优先关注的问题。该航天飞机在 2003 年 2 月 1 日重返大气层时在德克萨斯州上方发生解体。在两年多时间里,随着调查人员们对事故原因进行调查并制定修复措施,航天飞机飞行计划被搁浅了。

  哥伦比亚号航天飞机事故调查委员会得出结论说,一块隔热泡沫在起飞时从哥伦比亚号的外燃油箱上脱落,击中并损坏了航天飞机左机翼处的热防护瓦。

  在哥伦比亚号事故之后,人们开始警醒起来。泡沫脱落问题以前也发生过,但由于哥伦比亚号的宇航员不能进行太空行走,因而无法在飞行中对 TPS 系统进行检查 - 也没有现成的问题修复方法。即使哥伦比亚号的宇航员已证实飞行过程中发生损坏,他们也几乎没有任何对其进行修复的方法。

  事故调查委员会建议对燃油箱进行改动,以防止航天飞机起飞时燃油箱上的隔热泡沫脱落。但隔热泡沫并不是航天飞机所面临的唯一外界碎片威胁。“太空垃圾”和微流星体也可带来表面破坏。因此调查委员会还建议美国国家航空和航天局 (NASA)“制定出一种检查对热防护系统造成的最大可能范围破坏并实施紧急维修的实用方法。”

  截至到 2005 年,这些维修方法已做好了接受测试的准备。在发现号飞行的第 5 天中进行的首次太空行走中,宇航员 Steve Robinson 和 Soichi Noguchi 来到航天飞机的外面,并在外面的样品热防护瓦上演示了维修技术。

  NASA 制定出两种维修技术:机械方法和化学方法。用于将修补材料固定到航天飞机防护层上的机械方法可在地面上精确进行测试。但化学修补系统(本质上为高科技胶水和填料)可能会受到太空中真空的影响,以及航天飞机从地球阴影中运行到阳光下时的温度变化影响(范围在零下 250 华氏度到 258 华氏度)。必须在太空环境中对这些化学系统加以验证。

  因此,改进后的 Fluke 54 在太空中被用于对覆盖航天飞机头部和机翼处关键性前伸表面的加强碳-碳键 (RCC) 材料的维修进行测试。在航天飞机降落过程中,这些表面会在足以使钢发生熔化的高温下达到白热。正是这些地方发生的损坏使哥伦比亚号从空中坠落。

  NASA 指定总部位于马里兰州贝兹维尔市的股份制工程公司 Swales Aerospace 来准备 Fluke 54 以完成太空任务。根据 Swales Aerospace 的测试工程师 George Tansill 的说法,只需要进行很少的改变,这让人感到惊讶。

  所看到的第一个改变是仪表有了新的外壳,或者称为太空服。材料为灰色塑料的 Fluke 54 被装在一个 3.5 磅重的防护性铝外壳中,该外壳又用一个由反射性聚酯塑料制成的多层覆盖层包裹起来。外面是一层白色 Beta 布,这是一种浸渍了聚四氟乙烯的织造玻璃纤维材料。宇航员用于太空行走的防护服也使用了这种材料。一个塑料窗口将 Fluke 54 的屏幕罩住。宇航员可以在窗口上面再放上一块隔热毯以进一步放慢热量损失。

  太空中的温度变化非常大。阳光下的物体会迅速升温,而那些阴影中的物体则温度极低。宇航员们将 Fluke 54 装在一个辅助袋中带到工作地点,然后将隔热外壳夹到他们的太空服上或工作位置处。由于增加铝外壳防护措施并通过聚酯材料隔离层加以保护,该福禄克仪器可在航天飞机外长达 8 小时内保持在其工作范围内。

  恶劣的太空环境还要求进行其他方面的改动。由于担心宇宙颗粒的撞击可能会影响仪器的软件,因此 Swales 的工程师们安装了一个外部开关以可靠断开 Fluke 54 的电池。如果发生了撞击,则将电池关闭然后再接通可以将软件复位。

  其他的改变可帮助达到一个基本工程目标:务求简单 (KISS)。太空温度计只具有一个按钮,仅用于一次温度测试。在该装置的使用端是一个 Fluke 80PK-27 工业表面探头,它被截短并与铝外壳刚性连接。

  尽管使用简单,该太空温度计却有着一个重要使命。在测试一种用于填补 RRC 板中最大 4 英寸长和 0.02 英寸宽的裂缝用的一种“斯巴克填充剂”时,Robinson 和 Noguchi 使用它来检查表面温度。这种称为 NOAX(非氧化物粘合剂试验材料的英文缩写)的陶瓷先驱体聚合物密封剂,使用碳-碳化硅粉末进行了浸渍。它设计用于将外燃油箱发生小块泡沫材料脱落时产生的任何可能的损坏进行修复。

  宇航员们使用与刮刀类似的手工工具来将材料填补到裂缝中,并将修补处进行平滑处理,然后根据需要对修补区域进行加热。Tansill 认为,航天飞机指挥人员可通过将飞机定位并建立一个可最佳暴露于阳光之下的轨道来控制工作位置的温度。


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