پیشرفت های علمی مواد اساسا طراحی و عملکرد روتورهای چرخ واکنش را تغییر داده اند که برای کنترل دقیق نگرش فضاپیما ضروری است.با استفاده از کامپوزیت های پیشرفته و آلیاژهای با عملکرد بالا، مهندسان در حال حاضر روتورهایی را ارائه می دهند که سبک تر، بادوام تر و با ثبات تر هستند، گسترش طول عمر ماموریت و امکان کلاس های جدید از فضاپیمای علمی و تجاری.

اصول واکنش چرخ ها

اصول عملیاتی

چرخ های واکنش، جهت گیری فضاپیما را با استفاده از حفاظت از حرکت زاویه ای کنترل می کنند.آرتور در حرکت فروشگاه های با سرعت بالا حرکت می کند؛ تغییر سرعت چرخش آن سرعت زاویه ای فضاپیما را از طریق قانون سوم نیوتن تغییر می دهد، چرخ های واکنش، تنظیمات دقیق و بدون سوخت را فراهم می کنند و آنها را برای ماموریت های طولانی مدت که در آن پروانه ها محدود است، حیاتی می کند.

الزامات مادی برای روتاتورها

روتور باید مقاومت در برابر نیروهای شدید سانتریفوژ، دوچرخه سواری سریع حرارتی از نور خورشید به سایه، و عملیات تحت خلاء بدون خارج از گاز، خواص مواد کلیدی شامل سفتی خاص بالا، چگالی پایین، مقاومت خستگی عالی، و محدودیت الاستیک بالا برای جلوگیری از تغییر شکل دائمی حرارتی باید کافی برای تخلیه گرما، و ضریب گسترش حرارتی باید با اجزای اطراف به حداقل رساندن استرس مطابقت داشته باشد.

مواد تاریخی و محدودیت

فلزات سنتی

روتورهای چرخ واکنش اولیه از آلیاژهای فولادی به دلیل قدرت و هزینه پایین آنها ساخته شده بودند، با این حال، ظرفیت بالای چگالی فولاد محدود ظرفیت حمل و نقل محدود، و حساسیت آن به خستگی در بارگیری چرخه عمر کاهش می یابد. آلیاژهای آلومینیوم وزن پایین تر اما از خزش و سفتی ناکافی رنج می بردند، که منجر به مشکلات تشدید در سرعت چرخش بالا می شود.

کامپوزیت های اولیه

پلیمرهای با فیبر شیشه ای صرفه جویی در وزن متوسط و بهبود رفتار خستگی را فراهم کردند، اما نسبت قدرت پایین تر به وزن در مقایسه با مواد مدرن به این معنی بود که روتورها باید ضخیم تر، افزایش توده ای در داخل و کاهش بهره وری، علاوه بر این، جذب رطوبت در طول زمان، یک مشکل در محیط های فضاپیما مهر و موم شده است.

دانلود فیلم Breakthrough کامپوزیت Materials

پلیمرهای گرد کربن (CFRP)

تصویب کامپوزیت های فیبر کربن انقلابی طراحی روتور را ایجاد کرد. سیستم های CFRP مبتنی بر Epoxy در حال حاضر به نقاط قوت کششی بیش از 3500 PSI با پروتزهای تنها 1.6 g / cm3، ارائه یک نسبت قدرت به وزن چهار برابر که از فولاد با قدرت بالا ساخته شده است، روتاتورها از CFRP نیز بسیار مناسب هستند: با تنظیم فیبر و تنظیم فیبر و تنظیم، مهندسان می توانند یک جهت گیری اولیه را ایجاد کنند در حالی که باعث کاهش سرعت می شوند.

تکنیک های پیشرفته تولید مانند قرار دادن فیبر خودکار (AFP) و قالب بندی انتقال رزین (RTM) کیفیت ثابت را تضمین می کند. مطالعه اخیر توسط ناسا نشان داد کاهش 40٪ در توده روتور در مقایسه با معادل آلومینیوم [FLT 1]، بدون تخریب قابل اندازه گیری پس از هزاران چرخه شروع در تست خلاء منبع خارجی: [F:2 ]NA2SA تحقیقات پیشرفته کامپوزیت [F3)

کامپوزیت های سرامیکی ماتریسی (CMCs)

برای روتورها در محیط های حرارتی شدید مانند کسانی که در نزدیکی خورشید یا در مانورهای با شدت بالا، کربن-بردررو سیلیکون کاربید (C/SiC) عمل می کنند، کامپوزیت های بی نظیری از ثبات حرارتی ارائه می دهند. CMCها یکپارچگی ساختاری را در دما تا واکنش 1600 درجه سانتی گراد حفظ می کنند، بسیار فراتر از محدودیت های فلزات یا پلیمر ها نیز نشان می دهند: {FLT} در طول انتقال سریع و شوک های حرارتی آنها را نشان می دهد.

در حالی که روتورهای CMC گران تر برای تولید هستند، توانایی آنها برای کنترل سرعت چرخش بالاتر به طور مستقیم به ظرفیت گشتاور بیشتر تبدیل می شود، اصلاح سریع تر نگرش بدون افزایش حجم روتور.

پردازنده های High-Performance

آلیاژ تیتانیوم

تیتانیوم-6Al-4V یک اسب کار برای هاب های روتور و اجزایی است که در دمای متوسط قدرت بالایی دارند.با چگالی 4.4 g/cm3 و مقاومت در برابر خوردگی بالاتر از فولاد، آلیاژ تیتانیوم اغلب در طرح های هیبریدی استفاده می شود: یک قطب تیتانیوم به یک rim کامپوزیت پیوند داده می شود.

Superalloys

برای روتورهایی که باید در دمای بالا برای دوره های طولانی مدت کار کنند، سوپرکارهای مبتنی بر نیکل مانند Inconel 718 و René 41 قدرت خزنده برجسته و مقاومت در برابر اکسیداسیون را فراهم می کنند که به طور معمول در فضاپیما استفاده می شوند که نیاز به قابلیت های سریع کشت دارد، جایی که دمای روتور داخلی می تواند بیش از 600 درجه سانتیگراد متالورژی و گرم استئو فشار (HIP) اجازه می دهد تا نقص های تولید در نزدیکی روتور و کاهش حداقل قابلیت اطمینان از حد کاهش یابد.

نمونه ای از ماموریت بهره برداری از روتورهای سوپرکار (FLT:0 James Webb Space Telescope است که از چرخ های واکنش با روتورهای Inconel برای حفظ ثبات نقطه عطف برای سال ها در فضای عمیق سرد استفاده می کند: جیمز Webb]

نوآوری های تولید

مکان اتوماتیک فیبر (AFP)

ربات های AFP می توانند فیبر کربن را با سرعت بالا پایین بیاورند، ایجاد هندسه های کامپوزیت پیچیده که قبلا غیرممکن بودند، این فرآیند محتوای خالی را زیر ۱ درصد کاهش می دهد، برای کوچک کردن خرد کردن زیر چرخه های چرخش مکرر، بسیار مهم است. AFP همچنین تقویت محلی را فعال می کند - اضافه کردن لایه های اضافی در سوراخ های پیچ و یا رابط های تحمل بدون افزایش توده به طور کلی.

تولید افزودنی Metal Rotors

ذوب لیزر انتخابی و ذوب پرتو الکترون در حال حاضر تولید تیتانیوم و روتورهای سوپرالloy (با ساختارهای شبکه داخلی که جرم را کاهش می دهند در حالی که حفظ قدرت را کاهش می دهد، این تکنیک ها اجازه می دهند تا توپولوژی های طراحی که برای ماشین بسیار گران هستند، مانند زمین لرزه های پیشرفته صحبت شده که بارهای مستقیم سانتریفوژ را به قطب ها هدایت می کنند. علاوه بر روتورهای تولید شده دارای خستگی معادل آن هستند. [۱]

تاثیر بر عملکرد Spacecraft

  • کاهش گسترده از 30 تا 50٪ نسبت به طرح های میراث، اجازه می دهد توده بیشتر برای محموله، سوخت و یا ابزار اضافی.
  • ] ماموریت های مورد نظر : بهبود مقاومت در برابر خستگی و ثبات حرارتی به معنی چرخ های واکنش در حال حاضر به طور قابل اعتماد برای 15 سال یا بیشتر، برای ماموریت های عمیق فضایی حیاتی است.
  • چگالی گشتاور بالا : مواد پیشرفته اجازه چرخش سرعت تا 6000 RPM، ارائه پاسخ سریع تر نگرش بدون افزایش قطر چرخ.
  • مدیریت حرارتی بهتر ؛ کامپوزیت با هدایت مستقیم، به طور مساوی گسترش می یابد، کاهش نقاط داغ که روان کننده را در بلبرینگ ها کاهش می دهد.
  • لرزش قرمز شده : مرطوب کردن ذاتی در کامپوزیت ها باعث کاهش جوش و بهره برداری از ابزارهای نوری حساس مانند تلسکوپ ها و تصویرگران زمین می شود.

این پیشرفت ها در ماموریت های مختلف از مریخ نوردان (FLT:1) که نیاز به اشاره دقیق برای ارتباطات دارند، به ایستگاه فضایی بین المللی که در آن زمان کنترل gyros (یک نوع) به مواد روتور مشابه متکی است: FLT:4 [roscope: yr ژیروسکوپ [F]

آزمون و صلاحیت

آزمایش اسپینا برای نابودی

هر ماده و طراحی جدید روتور باید تحت آزمایش های چرخش در اتاق های خلاء قرار گیرد، جایی که روتورها برای سرعت انفجار برای اعتبار حاشیه های ایمنی شتاب می گیرند، دوربین های با سرعت بالا و سنج های فشار، حالت های شکست را ثبت می کنند، که برای کامپوزیت ها اغلب شامل توهم در اطراف لبه است. داده ها از این تست ها به مدل های عنصر محدود تغذیه می شوند، بهبود توانایی پیش بینی برای روتور نسل بعدی.

دوچرخه سواری حرارتی

روتاتورها تحت صدها چرخه بین ۴۰ درجه سانتی گراد و ۸۰ درجه سانتی گراد تحت خلاء قرار می گیرند تا محیط خشن اوربیت زمین را شبیه سازی کنند. نرخ های خارج از گاز اندازه گیری می شود تا اطمینان حاصل شود که هر ترکیبات فرار آزاد شده، نوری یا سنسورها را آلوده نمی کنند.

راهنمایی های آینده در علوم مادی

کامپوزیت های نانوساختاری

نانولوله های کربنی و گرافن به ماtrics اپوکسی متصل می شوند تا کامپوزیت هایی با سفتی و هدایت حرارتی حتی بالاتر ایجاد کنند، روتور با بارگیری 0.5% گرافن نشان داده است که 15٪ در modulus بدون مجازات وزن باقی می ماند.

مواد هوشمند

فیبرهای Piezoالکتریک که در روتورهای کامپوزیت جاسازی شده اند می توانند به طور فعال ارتعاشات را در زمان واقعی کاهش دهند، کاهش نیاز به نرم افزار کنترل خارجی. تیم های تحقیقاتی در آژانس فضایی اروپا، روتورهای هوشمند نمونه اولیه را آزمایش می کنند که از سیگنال ولتاژ برای مقابله با نیروهای عدم تعادل استفاده می کنند.

مواد خود-Healing Materials

میکروکپسول هایی که حاوی عوامل شفا (به عنوان مثال، دی سیکلوتوتالن) هستند می توانند در ماتریس روتور پراکنده شوند، هنگامی که یک فرم کرک، پارگی کپسول ها، آزاد کردن عامل که پلیمر و مهر و موم شکاف می کند، این تکنولوژی می تواند زندگی روتور را تا دهه ها گسترش دهد، به ویژه برای ماشین آلات چرخانی که نمی توانند در آزمایش های اولیه آزمایشگاه خدمات دهند، 80٪ بهبودی کششی پس از آسیب برنامه ریزی شده و اطمینان برای 20.

نتیجه گیری

پیشرفت های علمی مواد در کامپوزیت های فیبر کربن، کامپوزیت های ماتریس سرامیک و آلیاژهای پیشرفته باعث تحول رشد چرخ واکنش روتور می شوند، این نوآوری ها توده را کاهش می دهند، دوام را افزایش می دهند و عملکرد بالاتر را فعال می کنند، به طور مستقیم از طیف گسترده ای از فضاپیما بهره مند می شوند و تحقیقات را به نانوساختار یافته، هوشمند و خود شفا مواد وعده می کنند تا مرزهای بیشتری را فشار دهند، ماموریت های آینده را از فضای عمیق به کاوشگرهای عمیق تر - و قابل اعتمادتر - و بیشتر - قبل از حد قابل اعتماد تر - و قابل اعتماد تر از حد قابل اعتماد تر - و قابل اعتماد تر.