Impact damage characteristics of Space Shuttle Orbiter thermal protection tiles

Abstract

Space Shuttle Orbiter thermal protection tiles were subjected to impacts under various conditions, ranging from low-velocity impacts with a large, high-mass object to high-velocity impacts with a small, low-mass projectile. Fractography showed that failure of the glaze was due to bending (with the origin at the glaze/tile interface), or impact (with the origin on the surface being struck), or a combination of these two. Tiles made using experimental compositions of fibrous refractory composite insulation were more resistant to impact damage than those made from vitreous silica fibers only. The primary reason for this difference was the fact that the glaze was in compression on the experimental tiles, while it was in tension on the standard tiles. Impacts with large objects tended to produce bending failures, offen with extensive surface cracking. Impacts with small projectiles, especially when at higher velocities, tended to produce impact or mixed bending/impact failures; damage was localized, with holes offen being punched in the coating. Les tuiles du bouclier thermique de la navette spatiale Orbiter ont ete soumises à des chocs dans diverses conditions, allant de chocs à faible vitesse avec un objet de grande taille et de masse elevee, à des chocs à grande vitesse avec un petit projectile de faible masse. La fractographie a montre que la rupture de la glagure etait due à une flexion (ayant son origine à l'interface glacure/tuile), ou à un choc (ayant son origine à la surface touchee), ou à une combinaison des deux. Les tuiles constituees de compositions experimentales de materiau composite isolant fibreux refractaire etaient plus resistantes aux deteriorations par choc que celles consdtuees uniquement de fibres de verre de silice. La premiere raison de cette difference est le fait que la glagure etait en compression dans les tuiles experimentales, alors qu'elle etait en traction dans les tuiles normales. Les chocs avec des objets de grande taille avaient tendance à produire des ruptures par flexion, avec souvent une fissuration importante de la surface. Les chocs avec de petits projectiles, en particulier aux vitesses les plus elevees, avaient tendance à produire des ruptures par choc ou mixtes flexion/choc; les deteriorations etaient localisees, avec souvent des trous perces dans le revetement. Die für den thermischen Schutz der Raumfähre vorgesehenen Kacheln wurden unterschiedlichen Stoßbelastungen ausgesetzt, wobei die Beanspruchungen von Stößen mit Objekten großer Masse und niedriger Geschwindigkeit bis hin zu Stößen mit Projektilen geringer Masse und hoher Geschwindigkeit reichten. Fraktografische Untersuchungen zeigten, daß das mechanische Versagen der Glasur zurückzuführen war auf Biegebeanspruchungen (mit dem Bruchursprung an der Grenzfläche Glasur/Kachel) oder auf Stoßbeanspruchungen (mit dem Bruchursprung auf der beaufschlagten Oberfläche), aber auch auf eine Kombination beider Beanspruchungsarten. Versuchskacheln, die sich aus einem Isolierverbund faserförmigen Feuerfestmaterials zusammensetzten, waren gegenüber Stoßbeschädigungen widerstandsfähiger als Verbünde, die lediglich aus Kieselglasfasern bestanden. Der eigentliche Grund für diesen Unterschied liegt in der Tatsache begründet, daß die Glasur bei den Versuchskacheln unter Druckspannungen, dagegen bei den Standardkacheln unter Zugspannung stand. Stöße mit großen Objekten führten auf Grund von Biegebeanspruchungen zum mechanischen Versagen, wobei häufig eine starke Oberflächenrißbildung auftrat. Beanspruchungen mit kleinen Projektilen, insbesondere bei denen hoher Geschwindigkeit, führten zum Stoßversagen oder zum gemischten Biege/Stoßversagen; die Beschädigungen waren lokalisiert, wobei die Löcher häufig die Beschichtung durchdrungen hatten.