مستقبل مواد العجلات الرهينة: مركبات الكربون وما بعدها

Manufacturing Innovations Driving Carbon Composite Wheels

التأليف والتنسيب الآلي

ويتطلب إنتاج دوار مركب للتفاعل الكربوني التركيبة الدقيقة لتجنب الفراغات أو سوء الطلاء، كما أن تصفية الريح المشتعلة من الكربون المستمر حول حلقات زراعية قريبة من المدار من المدارات ذات توزيع الألياف الموحدة، كما أن التنسيب الآلي للخيوط يؤدي إلى زيادة الحد الأدنى من الاتساق عن طريق وضع أشرطة ضيقة تحت مراقبة الحواسيب.

اختيار المطاط وتركيبه

ولا تكون جميع نظم التكسين مناسبة للفراغ والإشعاعات، كما أن راتنجات المصاب بأشعة السيانات المزودة بمؤهلات فضائية توفر درجة حرارة منخفضة من الطراز، ودرجة حرارة الانتقال من الزجاج المرتفعة (200 درجة مئوية)، ومقاومة الأكسجين الذري والإشعاع فوق العجلات، كما أن التركيبات الحديثة تتضمن أيضاً مشغلات نانوية لتقوية المصفوفة دون إضافة وزن.

ما بعد مجمعات الكربون: الجبهة التالية

وحتى مع نمو مركب الكربون، يقوم الباحثون بالتحقيق في المواد التي يمكن أن تتغلب على ما تبقى من قيود - ولا سيما في الإدارة الحرارية، والتخثر، والتحمل الطويل الأجل في الفضاء العميق.

السيراميكات المتقدمة للبيئة القصوى

Silicon carbide (SiC) and aluminum oxide (Al2O3) exhibit exceptional stiffness, high thermal conductivity, and near-zero thermal expansion. A SiC wheel rotor would remain dimensionally stable over wide temperatures, critical for instruments requiring arcsecond pointing. Ceramicmel composites (CMCs)

Graphene and Carbon Nanotube (CNT) Enhancements

ويمكن إضافة رقائق غرافين ونوبات الكربون إلى مصفوفات متعددة المقاييس لتحسين كبير في الممتلكات الميكانيكية والكهربائية، بل إن كميات صغيرة (0.1 إلى 1.0 في المائة حسب الوزن) تزيد من التشعب بنسبة 20 إلى 30 في المائة، وقد تكون السمية الحرارية حسب ترتيب الحجم، كما أن من شأن وجود سلسلة من الألياف الضوئية ذات الحجم الكبير أن يبتعد عن المحرك بقدر أكبر من الكفاءة، مما يقلل من قوة الكربون الحراري.

الهندسة المعمارية المختلطة والمتعددة الأبعاد

وقد لا يكون الرواد المثالي مادة واحدة بل هيكلاً هجيناً: قذيفة مركب الكربون متصلة بمحور معدني، أو بزراعة للألومنيوم مزودة بالبراهرم، ويمكن أن يصمم التصميم على أقصى حد ممكن لتعظيم لحظة التخزين غير المنتظم مع تقليل تركيزات الكتلة والإجهاد، مثلاً، وجود دوارة " متطورة " ذات قوة دفعة معدنية لتحمل مركبات الكربون.

خدمات الصحة الذاتية والمواد الذكية

كما أن المواد الذكية التي تحتوي على ألياف فضائية مدمجة يمكن أن تطيل حياة عجلات التفاعل إلى ما يتجاوز العمر المثالي للتصميم الذي يبلغ 15 عاماً، كما أن المواد الذكية ذات الألياف الفائقة يمكن أن تشعّر بالهز أو الإجهاد وتضبط التخثر في الوقت الحقيقي، وأن هذه القاذورات " النشطة " ستكون ذات قيمة خاصة بالنسبة لبعثات الإصلاح الطويلة الأجل.

التحليل المقارن: الممتلكات المادية لمركبات الركاز

(الثغرات تكاد تكون قريبة؛ وتتوقف الممتلكات الدقيقة على توجيه الألياف وتجهيزها).

التحديات والمقايضة: لا توجد رصاصة فضية

وعلى الرغم من وعدها، فإن المواد الجديدة تواجه عقبات كبيرة، فالتكاليف هي عامل رئيسي: فالعجلات التي تُحدث ردود فعل على هذه المجموعة هي بالفعل أكثر تكلفة من التصميم المعدني المكافئ بواقع ٢ إلى ٣ أضعاف، وقد تكون التغيرات في السيراميات المتقدمة أو المركبات التي تستخدم في النفثالينات ذات القاعدة ترتيباً باهظاً، كما أن تصميم المواد الميكانيكية المتميزة يتطلب سنوات مختلفة من الاختبارات الحرارية، والتشعبأثيرة.

ومن المبادلات الأخرى الإدارة الحرارية، إذ أن مركب الكربون منخفض من خلال التكتل الحراري، مما قد يؤدي إلى تسخين الرواد بشكل غير متساو أثناء المناورات التي تدور في العواصف العالية، وقد يكون التبريد النشط أو الإدخال العالي التناقل (مثلاً، الميوشات النحاسية أو أفلام الماس) ضرورياً، وعلى العكس من ذلك، فإن السيراميين مثل سيك يُقدون بئين.

الاتجاهات المستقبلية وسائقي البعثات

S SmallSat and CubeSat Revolution

ومع انفجار مجموعات السواتل الصغيرة لرصد الأرض والاتصالات والعلم، يجب أن تتقلص عجلات التفاعل بشكل كبير في أثناء تسليمها لغاز عالي وتخزين للزخم، وقد مكّنت العجلات المركبة الكربونية بالفعل 6 محركات من العجلات السريعة التي لا يمكن أن تُستخدم في بعض الأحيان مع مركبات معدنية، ومع انتقال الصناعة إلى 200 كيلو متر مربع من الحافلات الساتلية (مثل معيار " وزن المركبات " ).

البعثات الفضائية البعيدة المدى والطويلة الأمد

وتحتاج البعثات إلى الكواكب الخارجية (مثلاً، Europa Clipper]، Dragonfly ) إلى عجلات تفاعل يمكن أن تعمل لمدة 15-20 سنة تحت درجة حرارة عالية من الإشعاع والبرد، وتُنفذ مركبات الكربون المرنة تحت الإشعاع، ولكن مركبتها التراكمة.

الصناعة التحويلية والوحدة

ويمكن أن تصنع محطات الفضاء وقواعد القمر في المستقبل عجلات تفاعل في الموقع باستخدام المواد الوسيطة المستوردة من الكربون المحرر والريح الآلي من الألياف، ويمكن للطباعة من جانب ثلاث دال للأجهزة المركبة أن تقلل من كتلة الإطلاق وأن تتيح العجلات المصممة حسب الطلب على الوجه الأمثل بالنسبة لكل ملف من موجزات بعثات المركبات الفضائية.

الخلاصة: رأس الطريق

إن تطور مواد العجلات في مجال التفاعلات يتسارع في الخفاء مع طموحات استكشاف الفضاء، وقد حققت مركبات الكربون بالفعل مكاسب كبيرة في الأداء والموثوقية والادخار الجماعي، مما يجعلها مواد اختيارية لمعظم المركبات الفضائية الحديثة، ومع ذلك فإن مطالب الكتلة العالية جداً التي تدوم العقد المقبل، والطول الشديد، والاستقرار الحراري، والتشخيص الذاتي - التدفقات تتجاوز ما يمكن أن تقدمه شركة CFRPen وحدها.