“구름위에서 에드워드 공군 부대 전경을 봤던 기억이 난다. 콜롬비아에서 첫 착륙을 손꼽아 기다리며, 재돌입하는 동안 모든 과제들이 완성되고, 모든 열차폐기능이 잘 작동했기를 바랐다. 시뮬레이션의 결과에 따르면 이 비행은 불가능했고, 단지 그 비행에 대한 수행평가만 있을 뿐이었다. 게다가 비행 초기, 기체 뒤편 궤도수정 시스템 포드에서 타일 세 개가 없어진 것을 승무원들이 발견했던 것이다. 비행 중공군에서 매우 중요한 부분의 타일은 없어지지 않았지만 그럼에도 불구하고, 불안한 재돌입 환경 때문에 착륙이 안전하지 않을까 매우 불안해 하였다” 기체가 대기권에 진입하는 동안 특수 조건을 공기 열역학적 환경에 대해 시험하였다. 우주선이 지구 대기권에 진입 했을 때 다시 말하면, 우주선이 매우 높은 대기권에 있을 때, 압력은 낮고 고도는 매우 빠른 속도로 떨어지게 된다. 대기압이 점점 증가하면서 기체속도가 시속 수 킬로미터 일 때, 기체의 표면온도는 최대 1200℃까지 매우 빠른 속도로 상승하게 된다. 우주선이 빠르게 속도를 줄이는 동안, 높은 온도는 수 분 동안 유지되었다. 우주선 주변에 분해되거나 부분적으로 이온화된 질소와 산소의 흐름과, 표면처리와의 반응을 동반한 충격층이 형성되었다. 이 재진입 환경은 지구에서 완전하게 시뮬레이션 될 수 없었다. 아크 젯 시험설비에 의해 가장 근접한 가정을 내릴 수 있었다. 챔버 내에서 빠른 속도, 높은 온도, 낮은 압력의 공기가 원뿔형의 노즐을 통해 분사하는 방법을 통해 재료를 시험하였다. 아크 젯 기류는 높은 속도와 초음속 기류 내에 표면온도와 압력, 기체 엔탈피에 대해 믿을만한 가정을 할 수 있게 해 주었다. 기존 내열 시스템 추진 후, 내열 시스템(TPS)은 우주선에서 두 번째로 중요한 시스템이다. 내열 시스템은 위에서 언급한 환경을 견뎌내 기체를 보호한다. 아폴로 프로그램은 330~400W/cm2(~1925℃) 정도의 열 유동에 대하여 우주선에 적합한 열 차폐를 이용했다. 스페이스 셔틀 프로그램의 개념은 재사용이 가능한 기체다. 그것은 낮은 지구 궤도에서 작동하고 재진입 때 40W/cm2(~1200℃)의 열 유동에 노출되는데, 아폴로 우주선의 경우 보다는 낮은 수준이다. 새롭고 재사용 가능한 내열 시스템은 10년 동안 발전되어야만 했다. 재사용 가능한 내열 시스템은 많은 열을 반사할 수 있고, 최소의 재료로 열 차폐 효과를 최대로 하는 결합 온도 요구사항을 만족시키도록 디자인 되었다. 내열 시스템은 두 가지 구성요소를 가지고 있다. 그것은 표면처리와 밑에 있는 절연체다. 타일 절연체 절연체로서 필요한 재료의 특성들은 낮은 열 전도성(최소의 재료로 열을 차폐를 할 수 있는), 고온특성, 낮은 열팽창계수, 높은 열 충격저항(급격한 온도변화에 의한 것), 낮은 밀도 그리고 재현성 있는 재료 안전성이다. 록히드 마틴 미사일 사(Lockheed Martin Missil es)와 스페이스 사(Space Corp.)에서는 이러한 요구사항들에 대해 디자이너들은 낮은 밀도의 실리카를 타일 절연체로 선정하였다. 9lb/ft3에서 그것은 LI-900 록히드-절연체로 디자인 되었다. 이것은 과학자이자 엔지니어인 Robert Beasley에 의해 제안되었다. 실리카는 많은 요구사항들을 만족시켰다. 그것은 가장 낮은 열팽창계수를 가진 재료이고, 섬유모양 형태로 낮은 열전도성, 또한 파괴에 대하여 높은 변형률을 가지고 있다. 1마이크론 미만에서부터 10㎛직경정도로 작은 섬유이다. 보통 0.5에서 3㎛정도이다. 그러나 이러한 실리카 타일은 우수한 단열성을 가지고 있지만, 우주선 전체의 열차폐를 하기에는 부족하다. 흰색의 실리카 타일은 낮은 반사율과 친수성을 가지고 있을 뿐더러, 다루기도 쉽지 않다. 따라서 몇 가지 형태의 표면처리가 요구되었다. 코팅 재료에 특성 중에서 높은 복사성과 낮은 촉매 효과는 표면처리에 있어서 매우 요구되는 특성들이다. 높은 복사성 코팅은 재료가 반응하는 열 유동을 감소시키고 또한 기체로부터 열을 재방사하는 양을 증가시킨다. 낮은 촉매 효과가 있는 표면은 재진입시 기체 주위의 충격층에서 원자들 간에 재결합반응을 억제시키는 역할을 한다. 즉, 분해된 가스가 표면에서 재결합될 때 방출되는 화학적 에너지로부터 적은 양의 열이 코팅으로 흡수 된다는 것이다. 게다가 방수가 되는 표면이 요구된다. LI-900에 적합한 표면처리를 향상시키는데 있어서 몇 가지 극복해야 할 문제점들이 있다. ·90%가 공기인데 어떻게 코팅을 어떤 물체에 부착할 것인가? ·어떻게 다공성 표면으로 침투하는 것을 막을 것인가? ·순수한 실리카와 매우 낮은 열팽창계수를 코팅에 적용할 수 있을 것인가? ·코팅을 표면의 밀도변화 없이 융합시킬 수 있을 것인가? 위 문제점들에 적합한 코팅 재료는 반응성 경화 유리(RCG)라 한다. RCG는 보로실리케이트 유리와 방사성 약품, 실리콘 테트라 보라이드(SiB4)의 복합체이다. RCG를 기체 앞쪽 표면 아래 타일에 뿌린다. 이때 고온 재사용 표면 절연체라 불리는 시스템이 만들어 진다. 기체 앞쪽 표면은 재진입시 공기의 저항이 심하고, 기체의 지붕부분에 비해 많은 열이 가해진다. 기체 지붕의 타일에 쓰이는 코팅은 기체를 흰색을 띠게 하는 보로실리케이트 유리를 함유하고 있는 알루미나이다. 이것이 저온 재사용 표면 절연체라 불리는 시스템이다. 기체의 색을 흰색으로 하는 이유는, 기체가 궤도에 있을 때 태양으로부터 흡수되는 열을 줄이기 위해서 흰색을 사용한다. 기체 지붕의 흰색코팅과 기체 아래 검은색코팅의 조합은 열차폐 시스템의 효율을 극대화시킨다. 설치 재사용 표면 장치(RCG) 시스템은 몇 가지 단계를 거처 제조된다. 애벌재료(Koropon)로 알루미늄 판이 기체를 보호하고 상온경화고무(RTV)로 접착력을 향상시키도록 적용되었다. RTV는 비행(타일은 낮은 인장강도와 기계적 특성을 가진다) 중 구조가 변형됐을 때 기계적 부하에 견디면서 타일을 유지시키도록 변형억제 패드(SIP)에 부착하게 된다. SIP 상부에서 RTV자체를 절연시키기 위해서 또 다른 RTV 층이 있다. 거대한 퍼즐과 비슷한 각각의 특별한 표시가 되어 있는 2만4천개의 독특한 타일들이 기체 외부에 장착되었다. 타일 개선점 LI-900으로 코팅된 기존의 RCG 시스템은 어느 정도는 작동했지만, 두 가지 부분에 대해 문제점들이 있었다. 첫 번째 문제점은 비용을 줄이고, 선회하는 시간을 개선할 수 있도록 매 비행 때마다 유지할 수 있어야 한다는 것이다. 이것은 재료의 강도를 증가시킴으로서 개선할 수 있었다. 두 번째 문제점은 내열성이다. 따라서 일반적으로 셔틀의 충분히 안전해야하고 고온 환경에서도 상태를 유지할 수 있도록 설계되어야 한다. 이러한 문제점들을 개선하기 위해 1980년대에 많은 노력이 있었다. 에이미(Ame)에서 연구된 첫 번째 간단한 시스템은 실리카에 실리콘 카바이드를 혼합하여 결합제(이것은 실질적으로 재료의 특성을 향상시키지는 않았다)를 제거하고 재료의 밀도를 높이는 것이었다. 그 새로운 재료는 LI-2200(22lb/ft3에서 록히드 절연체이다)이다. 밀도가 높아져 재료의 기계적 성질은 매우 증가되었지만 무게가 늘어난 단점이 있었다. 그래서 LI-220은 매우 높은 강도를 필요로 하는 셔틀의 일부분에만 사용되었다. 다른 섬유를 실리카에 첨가함으로서 위의 문제점을 해결하는 연구가 계속 되었지만, 다른 섬유의 첨가로 인해 대부분의 실리카가 불투명해지는 결과를 볼 수 있었다. 그러나 알루미늄 보로실리케이트를 첨가했을 경우엔 그렇지 않은 결과를 볼 수 있었다. 이것은 기존재료의 특성 대부분을 가지고 있었다. 열팽창계수가 높음에도 불구하고, 이 새로운 재료는 매우 강하였고, 이와 비슷한 다른 재료들 중에서는 높은 고온특성을 가진 것들도 있었다. 10에서 1㎛ 직경의 섬유(직경이 큰 것과 작은 것)들을 가지고 균일하게 혼합하는 것이 어렵기 때문에, 이러한 새로운 재료들은 기존의 타일 재료에 비해 불균일했다. LI-900과 비슷한 이러한 재료들은 수평방향과 두께(TTT)방향이 압력방향과 평행하도록 곧게 뻗어있다. 이러한 새로운 재료들 중에서 두 가지의 종류의 재료들이 있다. 섬유내열복합절연체(FRCI)와 알루미나가 첨가된 열 장벽(AETB)이다. FRCI는 알루미늄 보로실리케이트 섬유와 실리카 섬유의 혼합해서 제조한다. 실리카의 함유량이 높고, 미량의 산화보론과 이보다 더 적은 양의 알루미나가 함유되어 있다. CTE는 낮고, 높은 열 충격저항은 유지되었다. FRCI가 LI-900보다 더 강하지만, 그 강도는 아직 요구치에 못 미쳤다. FRCI는 IP강도는 LI-900에 비해 세 배, TTT강도는 거의 네 배에 가까웠다. FRCI의 미세사진을 살펴보면, 기지 내에 각각의 섬유들이 서로 용해되어 있음을 알 수 있다. AETB은 시스템에 알루미나를 첨가시켜 한 단계 더 발전된 것이다. 고온특성이 향상되었으며, 1480과 1370℃에서 1시간 열처리 하였을 때, 등온수축현상이 감소하는 것으로 나타났다. 일반적으로 새로운 재료는 기존 실리카보다 열전도도가 높은 것으로 나타났고, 열 충격저항은 낮아졌다. 시스템 발전 어떠한 재료도 실리카의 CTE와 잘 맞는 재료가 없었기 때문에, LI-900이 타일기판으로 독보적이었던 것만큼 RCG를 개선하는 것은 불가능했다. 개선된 AETB와 FRCI 기판의 높은 CTE는, RCG와는 달리 코팅을 할 수 있고 표면에 인장응력이 아닌 압축응력을 받기 때문에 충격에 대한 저항을 보다 개선할 수 있었다. 첫 번째 단계는 셔틀의 표면에 대하여 필요한 조건들을 재시험하는 것이다. 기본적으로 코팅은 응용에 있어서 완전하게 방수되어야 한다. (물에 대한 문제는 무게 그리고, 물이 얼음이 되었을 경우나 팽창하였을 경우이다) 그러나 비행시험결과 완전한 방수 시스템은 모든 타일에서 충격에 의한 파손이 있기 때문에 유지될 수 없었다. 게다가 비행 후, 얼음생성에 의해 파손된 것을 관찰할 수 있었다. 또한, 정밀검사에 의해 발견된 모든 파손이 비행에 의한 파손이라고 할 수는 없다. 모든 파손 가능성들을 없애기 위해선, 셔틀 프로그램 연구 책임자들은 매번 비행 때 마다 방수처리를 하는 것으로 결정했다. 첫 시도는 ScotchgardTM 형태로 했으나 Scot chgard와 시스템 사이의 상호작용현상이 발견되었다. 마지막으로 셔틀 프로그램 연구 책임자들은 코팅을 통과하여 개개의 타일 표면에 피하주사기를 이용하여 소수성 약품을 주입하는 공정을 택했다. 이것은 RCG에 방수구멍을 만드는 것이었다. 코팅은 인장응력을 받기 때문에, 그 구멍은 균열전파현상에 의해 RCG코팅이 된 LI-900 타일에 많은 균열을 발생시킬 수 있는 원인을 제공한다. 코팅이 적용되었을 때, 그것은 완전한 방수기능을 가져야 했음에도 불구하고, 매 비행 때 마다 재차 방수처리를 해야 했기 때문에 고밀도 코팅 대신 다공성 표면 처리를 사용하였고 기공을 통한 방수처리를 사용하였다. 이 기공은 표면에서 균열이 전파되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다. 만약 소수성 약품을 넓은 다공성 표면에 뿌릴 수 있고, 표면에 매우 빠른 속도로 흡수될 수 있다면, 재차 방수처리를 하는 것은 매우 쉬운 일이 될 수 있었다. 다음 단계는 RCG코팅의 내충격성을 향상시키는 방법에 관한 연구였다. RCG는 0.015인치 두께의 치밀한 유리와 같은 역할을 하는데 기판 위의 93%는 매우 다공성의 특성을 갖는다. 이러한 특성은 마치 계란 껍데기와 유사하다. 추가적인 무게가 허용되지 않는다면 RCG의 손상에 대한 저항성은 자연스럽게 제한 되어있다. 이를 해결하기 위한 방법 중에 하나는 완전히 치밀한 두 배의 두께를 갖게 하는 것이다. 예상대로 이러한 방법은 손상에 대한 저항성을 거의 두 배정도 강화시켜준다. 하지만 무게가 증가하는 단점이 있다. 대신에 만약 표면에 기포가 많아서 무게가 줄어든다면, 무게가 늘어나는 단점을 해결하면서도 물질을 표면 아래로 움직이는 것이 가능할 것이다. 그렇게 되면 계란 껍데기를 강화시켜 시스템의 손상 저항성을 높일 수 있게 된다. 원래 코팅 두께의 무게를 표면 아래로 바꾸면 외부 표면에서부터 내부로 갈수록 점점 밀도가 달라져 기능적으로 볼 때 기능이 단계적으로 변화하는 재료가 되어버린다. 각 낮은 밀도의 층은 상층을 강화시켜 전체적인 시스템이 손상에 대한 면역성이 커지게 된다. 그러한 재료가 진짜 시스템이고 이러한 시스템을 ‘강화 단일-피스 섬유 절연(TUFI)’이라고 부른다. 단일-피스라고 불리는 이유는 코팅 막과 기판 간에 이중성이 더 이상 없고 코팅 외부에서부터 내부로 점차적인 변화가 있게 된다. RCG에 사용되는 방출 에이전트는 RCG 코팅 내부의 실리콘 테트라보라이드(silicon tetraboride)가 절연체 내부에서 퍼져 나올 때 산화되어 방출정도를 줄인다고 생각되고 있기 때문에 MoSi2로 바뀌었다. MoSi2은 또한 온도 능력을 가지고 있다. 메토셀(methocel)은 제품의 점도를 낮추기 위하여 생략되었다. TUFI 코팅이 기판을 파고들어가 있는 반면, RCG는 타일의 표면에 부착되어 절연과 강도/손상 저항성을 증가시켜준다. 표면에서 TUFI는 약 90%정도 치밀한데 다공성의 성질은 표면에서 아래로 들어갈수록 줄어들게 된다. TUFI 샘플은 단위 면적당 같은 무게로 RCG 시스템보다 20배나 높은 손상 저항성을 가진다. 무게가 늘어나는 것을 감수한다면 RCG 시스템의 100~500배의 강도를 실현할 수 있다. 새로운 시스템은 비행 조건에서 평가된다. 많은 노력으로 셔틀의 낮은 온도 범위에서의 TUFI의 성능을 평가하는 것이 제안되었다. TUFI는 TPS 재료가 업그레이드 되면서 셔틀프로그램 디렉터에 의해 지원금이 지급되고 디자인되고 받아들여진 것이었다. 이번 실험은 보다 첨단 소재인 AETB 대신에 FRCI-12를 기판으로 사용하였는데 이는 FRCI가 이미 셔틀의 일부에 사용되고 있었고 새로운 재료를 사용하면서 겪게 될 어려움을 피할 수 있기 때문이었다. 실험에 사용된 부분은 셔틀의 열보호막에 기초해, 과거에 손상이 발생했던 부분을 사용하였다. RCG로 코팅된 6개 타일이 TUFI 처리된 FRCI-12 타일로 교체되었다. 교체된 부분들은 성능이 좋지 않다고 판단되면 다시 교체하기 쉬운 문에 사용되었다. TUFI가 비행 중 노출되는 동안의 온도는 높지 않다. 따라서 재료의 완전한 평가는 불가능하다. TUFI 타일은 잘 견뎌냈고 보다 더 많은 손상을 받는 부분에서도 성공적인 성능을 보였기 때문에 미래의 비행기는 손상받기 쉬운 RCG 타일대신 TUFI 타일로 둘러 쌓여있을 것이다. TUFI는 셔틀의 다른 부분과 환경을 잘 견뎌내는 훌륭한 성능을 보이지만 완벽하지는 않다. (Ceramic Bulletin)