Tepelná ochrana

Pre úspešné napredovanie vývoja viacnásobne - až stonásobne použiteľnej kozmickej lode bola tepelná ochrana orbitálneho modulu rovnako kritická. Systém, ktorý konštruktéri zvolili, mal chrániť prevažne hliníkovú a grafitovo-epoxydovú vonkajšiu konštrukciu modulu pred teplotami až takmer 1650°C vyvolanými trením pri návrate do atmosféry, no takisto pred mrazom orbitálnej noci pri lete nad neosvetlenou častou Zeme, ktorý dosahuje až -157°C. V rokoch 1970 až 1973 minuli v NASA vyše 11 miliónov dolárov na výskum rozličných variantov riešenia tohto problému a napokon sa rozhodli pre obnoviteľnú izoláciu založenú predovšetkým na obložení kremíkovými doštičkami. V máji roku 1973 sa vo firme Rockwell, ktorá tento vývoj koordinovala, rozhodli pre zmluvu so spoločnosťou Lockheed Missiles & Space Company a poverili ju touto prácou. Bola to zmluva v celkovej finančnej hodnote asi 50 miliónov dolárov.

Pre jednotlivé časti vonkajšieho povrchu modulu, ktorý mal byť vystavený vysokej teplote počas návratu do zemskej atmosféry, sa volili rozličné materiály. Pre nábehové hrany krídel a špičku trupu, kde sa predpokladali teploty okolo 1260°C, sa napríklad použil vystužený uhlíkový materiál (Reinforced Carbon-Carbon, RCC). Na miestach, kde sa očakávalo ohriatie na menej ako 1260°C - ako napríklad na celej spodnej časti modulu, kde sa uhlíková izolácia neaplikovala, na hornej prednej časti trupu, na častiach kýlových kontajnerov manévrovacích motorov a na oboch hranách vertikálneho stabilizátora - sa použila izolácia z viacnásobne použiteľných teplo vzdorných doštičiek konštruovaných na báze kremíkových vlákien (High-Temperature Reusable Surface Insulation, HRSI). Doštičky boli natreté načierno.

Tam, kde sa neočakávalo ohriatie na viac ako 650°C, teda na istých častiach predného, stredného a zadného trupu a na hornom povrchu krídel, tam sa použili doštičky z materiálu označeného ako nízkoteplotná viacnásobne použiteľná povrchová izolácia (LowTemperature Reusable Surface Insulation, LRSI). Tieto doštičky mali bielu povrchovú úpravu (bola to ich jediná odlišnosť v porovnaní s HRSI).

Účelom ich bieleho náteru boli snahy získať čo najlepšie tepelné charakteristiky počas pobytu na orbite. A napokon, na miestach, ktoré sa nemali podľa výpočtov ohriať na viac ako 370°C - ako napríklad na častiach bokov trupu alebo na kryte horného nákladného priestoru - sa použila ohybná viacnásobne použiteľná povrchová izolácia (Flexible Reusable Surface Insulation, FRSI). Pozostávala z nabielo natretých fólií plsti podobného špeciálneho materiálu s komerčným názvom Nomex.

Pôvodne sa rátalo s tým, že na pokrytie celého orbitálneho modulu bude potrebných asi 32 000 doštičiek, no už pomerne skoro, v ranom vývojovom štádiu konštrukcie sa uplatnili rozličné zlepšenia a úpravy, ktoré počet doštičiek a fólií redukovali na menej než 27 500. A tak krátko nato, čo do vesmíru vyletel prvý raketoplán Columbia, bola vyvinutá nová, ohybná a viacnásobne použiteľná povrchová izolácia (Advanced Flexible Reusable Surface Insulation, AFRSI). Išlo v podstate o biele prešívané fólie, ktoré nahradili väčšinu doštičiek LRSI, predĺžili trvanlivosť izolácie, a čo vôbec nebolo zanedbateľné, znamenali nižšie výrobné a inštalačné náklady, ako aj úsporu hmotnosti. Neskôr sa dostali k slovu opäť čierne doštičky s výrobným označením odolná vláknitá kompozitná izolácia (Fibrous Refractory Composite Insulation, FRCI), ktoré na rozličných častiach povrchu orbitálnych modulov nahradili niektoré z doštičiek HRSI.

Počas počiatočných pokusov o túto výrobu sa však zistilo, že hoci mnohé z doštičiek bolo možné zhotovovať v lisoch, iné bolo treba tvarovať jednotlivo, teda vyrábať ručne. Bol to časovo i finančne náročný spôsob výroby aj inštalácie doštičiek na trup raketoplánu. Vysoká miera produkcie nepodarkov pri výrobe niektorých druhov doštičiek - a zvlášť v prípade HRSI - mala na pokračovanie prác temer vražedný účinok, pretože doštičky sa najčastejšie inštalovali postupne a nepodarky veľmi často ovplyvňovali postup montáže i v prípadoch, keď iné druhy obloženia boli poruke.

Keď začiatkom roku 1979 priviezli raketoplán Columbia z dielní výrobného závodu Rockwell do Kennedyho vesmírneho strediska na Floride, chýbalo na ňom ešte 10 000 izolačných doštičiek, ktoré bolo potrebné upevniť na trup raketoplánu. Pracovníci NASA vtedy iba spolovice zvládli svoj plánovaný pracovný program, podľa ktorého mali montovať 650 doštičiek týždenne. Situácia sa napokon ešte zhoršila, keď sa pri skúškach v roku 1979 ukázalo, že pevnosť niektorých doštičiek nebola taká, ako si v NASA v súvislosti s dôkladnou ochranou povrchu modulu predstavovali. Začali sa teda ťahové skúšky kritických typov doštičiek, ktoré mali overiť integritu ich štruktúry, a tie, ktoré skúškou neprešli, sa buď vymenili, alebo nanovo spevňovali. Okrem toho sa medzičasom úspešne pracovalo na zhustenom povlaku, ktorý zdvojnásoboval pevnosť doštičiek a použil sa v prípadoch nanovo spevňovaných kusov. V NASA sa pôvodne predpokladalo, že na túto operáciu budú potrebovať asi 2000 doštičiek. Lenže do začiatku roku 1980, keď už v Kennedyho vesmírnom stredisku inštalovali 14000 doštičiek, vymenili už 10 000 kusov a vyše 10 000 doštičiek ešte na výmenu čakalo.