פריצות דרך מדע חומריות עיצבו מחדש את העיצוב ואת הביצועים של רוטטורים גלגל התגובה, אשר חיוניים עבור בקרת גישה החללית מדויקת. על ידי מינוף של תרכובות מתקדמות וסגסוגת ביצועים גבוהים, מהנדסים עכשיו לספק רוטורים כי הם בהיר, עמיד יותר, יציב תרמי יציב, להאריך את תוחלת החיים של המשימה ומאפשר כיתות חדשות של חלליות מדעיות ומסחריות.

תוצאות של Reaction Wheel Rotors

עקרונות הפעלה

גלגלי תגובה שולטים באוריינטציה על ידי שימוש בשימור המומנטום הזוויתי. A רוטטור מסתובב במהירות גבוהה חנויות מומנטום; שינוי קצב הספין שלה משנה את מהירות הזווית של החללית באמצעות החוק השלישי של ניוטון.בניגוד לדחפורים, גלגלי התגובה מספקים התאמות גישה מדויקות, ללא דלק, מה שהופך אותם קריטיים למשימות ארוכות של דחיפות הוא מוגבל.

דרישות חומריות עבור Rotors

הרוטור חייב לעמוד בפני כוחות צנטריפוג קיצוניים, רכיבה תרמית מהירה מאור השמש לצללים, ותפעול תחת ואקום ללא גזים החוצה. תכונות חומריות מפתח כוללות קשיחות מסוימת גבוהה, צפיפות נמוכה, עמידות עייפות מעולה, וגבול גמיש גבוה כדי להימנע עיוות קבוע.ההתנהגות תרמית חייבת להיות מספיק כדי להתפזר חום, ואת coefficient של התרחבות תרמית צריך להתאים רכיבים סביב למזער מתח.

חומרים היסטוריים ומגבלות

מתכת מסורתית

רוטטורים מוקדמים של גלגל התגובה נעשו מסגסוגת פלדה בשל כוחם ועלות נמוכה.עם זאת, יכולת העומס המוגבל של פלדה, ואת הרגישות שלה לעייפות בחיי השירות מופחת.סגסוגת אלומיניום הציע משקל נמוך יותר אבל סבל מקשה זחילה ומספיקה, המוביל לחזר בעיות במהירויות גבוהות של ספין.

המונחים: early Composites

פולימרים בעלי כוח זכוכית סיפקו חיסכון במשקל מתון והתנהגות עייפות משופרת, אבל היחס התחתון שלהם במשקל כוח-על בהשוואה לחומרים מודרניים היה צריך להיות עבה יותר, להגדיל את אינטרטיה המונית ולהפחית את היעילות.יתר על כן, לחות ספיגה דה-בוגר ביצועים לאורך זמן, בעיה בסביבות חלליות חתומות.

המונחים: Composite Materials

Carbon סיבים Reinforced Polymers (CFRP)

אימוץ של סיבים פחמן מורכב מהפכה עיצוב רוטטור.מערכות CFRP מבוססות אפיקסי עכשיו להשיג חוזקות Tenile מעל 3,500 MPa עם דחיות של רק 1.6 גרם /3, המציע יחס כוח למשקל ארבע פעמים כי של פלדה גבוהה סטריאנט. Rotors מ CFRP הם גם מאוד מתאימים: על ידי התאמת אוריינטציה סיבים ורצף, מהנדסים יכולים ליצור תכונות טרופיות כי של עומס גבוה כי בעוד רטטים קשיחים.

טכניקות ייצור מתקדמות כמו מיקום סיבים אוטומטיים (AFP) ו- resin transfer עובש (RTM) להבטיח איכות עקבית.FLT:0A מחקר שנערך לאחרונה על ידי נאס"א הראה ירידה של 40% במסה רוטורית בהשוואה לאלומיניום המקבילה לאלומיניום FLT:1, ללא כל השפלה מדידה לאחר אלפי מחזורי התחלה בבדיקת ואקום.

Ceramic Matrix Composites (CMCs)

עבור רוטורים הפועלים בסביבות תרמיות קיצוניות, כגון אלה ליד השמש או בתמרונים גבוהים, פחמן-פייבר-reinforced סיליקון carbide (C / SiC) מורכב מציעים יציבות תרמית שאין דומה לו. CMCs לשמור על שלמות מבנית בטמפרטורות עד 1,600 מעלות צלזיוס, הרבה מעבר לגבולות מתכות או פולימרים.

בעוד CMC רוטורס הם יקרים יותר לייצר, היכולת שלהם להתמודד עם מהירויות ספין גבוהות יותר מתורגמת ישירות לתוך יכולת קירור גדולה יותר, המאפשר תיקונים מהירים יותר גישה ללא הגדלת נפח רוטטור.

המונחים: high-Performance Alloys

טיטניום Alloys

טיטניום-6אל-4V נשאר סוס עבודה עבור מרכזי רוטטור ורכיבים שבהם יש צורך בטמפרטורה מתונה.עם צפיפות של 4.4 g / CM3 ו-corrosion התנגדות מעל פלדה, ⁇ טיטניום משמשים לעתים קרובות בעיצובים היברידיים: מרכז טיטניום מחובר להתפתחויות מורכבות.

Superalloys מבוסס ניקל

עבור רוטורים כי חייב לפעול בטמפרטורות גבוהות לתקופות ארוכות, Superalloys מבוסס ניקל כמו Inconel 718 ורנה 41 לספק כוח זחילה בולט והתנגדות חמצון.חומרים אלה משמשים בדרך כלל בחלליות הדורשות יכולות סלולים מהירות, שבו טמפרטורות רוטטור פנימי יכול לעלות על 600 מעלות צלזיוס. אבקת מתכתלורגיה חם הוא דחף (HIP) אפשרו הייצור של ליד-net-אפישה, שיפור מומים ריקים, עם פגום.

דוגמה למשימה הנתמכת על ידי מסובבים סופרלווי היא טלסקופ החלל ג'יימס ווב טלסקופ החלל דרביFLT:1, אשר משתמש גלגלים תגובה עם רוטטורים Inconel כדי לשמור על יציבות מצביעה טובה במשך שנים בחלל עמוק קר: FLT:2ESA James Webb, סקירה כלליתFLT 3: 3.

ייצור חדשנות

מיקום סיבים אוטומטיים (AFP)

רובוטים AFP יכולים להניח את כאבי פחמן במהירות גבוהה, יצירת ג'ממות מורכבות כי היו בלתי אפשריים בעבר.התהליך מקטין תוכן ריק מתחת ל- 1%, קריטי עבור צמצום מיקרו-מרוץ תחת מחזורי ספינים חוזרים. AFP גם מאפשר חיזוק מקומי - עלייה בשכבות נוספות במועדוני הבריח או ממשקי שעשועים ללא עלייה של מסה כללית.

ייצור של Metal Rotors

לייזר סלקטיבי מתיסה ואלקטרון קרן נמס עכשיו לייצר טיטניום ו- Superalloy רוטורים עם מבנים פנימיים של צמיגים כי להפחית את המסה תוך שמירה על כוח.טכניקות אלה מאפשרות עיצוב להתנצלות כי יהיה יקר מדי למכונה, כגון ג'ממטים דוברי אופטימלית כי עומסי צנטריפוגה ישירים לתוך המרכז.FLT:0Addive המיוצרים באופן שווה ערך להוכיח את החיים לעייפות מקודמתים ב-זמנית עבור פתחי תיבות של נאס"א 1FLTs של לוויינים קטנים של נאס"א.

השפעה על ביצועי Spacecraft

  • (FLT:0) צמצום המפיץ של 1 מ-30–50% ביחס לעיצובי מורשת, המאפשרים יותר מסה עבור תשלום, דלק או כלי רכב נוספים.
  • (FLT:0) ,Extended Mission LifeFLT:1: שיפור עמידות עייפות ויציבות תרמית אומר גלגלי התגובה לפעול באופן אמין במשך 15 שנים או יותר, קריטי עבור משימות חלל עמוק.
  • (FLT:0) צפיפות גבוהה יותר של מומנט צפיפות 1FLT: חומרים מתקדמים מאפשרים ספין מהירויות עד 6,000 RPM, מתן תגובה מהירה יותר ללא הגדלת קוטר הגלגל.
  • (ב) ,0) עדיף ניהול תרמי של LT:1: מורכב עם מוליכות מותאמת להפיץ חום אפילו, צמצום כתמים חמים שמצמצמצמים סיכה בכפות.
  • (ב) ,0) ,התרחשות ב[[המאה ה-1]]: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

שיפורים אלה הושגו במשימות החל מ-FLT:0 מ"מ שלרוב 1:1, אשר דורשות הצבעה מדויקת לתקשורת, ל-FLT:2 תחנת החלל הבינלאומית,3; היכן שולט הרגע ג'ירו (גרסה) על חומרים דומים של רוטורים.

בדיקות ו- Qualification

בדיקות לגילוי

כל חומר חדש ורחוק חייב לעבור בדיקות ספינים בתאי ואקום, שבו רוטורים מואצים כדי להתפרץ במהירות כדי לאמת שולי בטיחות. מצלמות מהירות גבוהה ומדני זנים ללכוד מצבי כישלונ, אשר עבור מקרנים לעתים קרובות כרוכים דלמנט סביב השדות. נתונים מן הבדיקות האלה חזרה לתוך מודלים אלמנט סופי, שיפור היכולת החיזוי עבור הדור הבא של רוטינים.

אופניים חמים וcuum Cycling

רוג'רס נמצאים במאות מחזורים בין -40 מעלות צלזיוס ו- +80 ° C תחת ואקום כדי לדמות את הסביבה הקשה של אורביט כדור הארץ נמוך. שיעורי הטיסה נמדדים כדי להבטיח שכל תרכובות נדחות לא מדביקות אופטיות או חיישנים.חומרים העוברים הסמכה זו מתכנסים אז ליחידות גלגל תגובה מלאות לבדיקת חיים, לעתים קרובות כמה שנים במיטות מבחן קרקע.

כיוונים עתידיים במדעי החומר

המונחים: westructured Composites

צינורות פחמן ו גרפן משולבים לתוך epoxy מגרות כדי ליצור מורכב עם נוקשות גבוהה יותר ו מוליכות תרמית. a רוטר עם 0.5% טעינה גרפן הראה עלייה של 15% במודולוס ללא עונש משקל. אתגרים נשארים בפיזור חלקיקים אחיד, אבל קווי ייצור טייס פעילים כעת עבור לווינים קטנים.

חומרים חכמים

סיבים Piezoelectric מוטבעים ברוטטורים מורכבים יכול לחטט באופן פעיל רטט בזמן אמת, צמצום הצורך בתוכנה חיצונית בקרה. צוותי מחקר בסוכנות החלל האירופית הם בדיקות אבטיפוס רקובים חכמים המשתמשים אות מתח לכוחות חוסר איזון נגד.

חומרי ההולכה עצמית

מיקרוcapsules המכילים סוכני ריפוי (למשל, dicyclopentadiene) ניתן מפוזרים במריצה המסתובבת.כאשר סדקים, הקפסולות קרע, שחרור הסוכן אשר פולימרים ואיטום את הסדקים. טכנולוגיה זו יכולה להאריך את החיים רוטורים על ידי עשרות שנים, במיוחד עבור מכונות רוטט שלא ניתן להפעיל בחלל.

מסקנה

פריצות דרך מדעיות חומריות בתרכובות פחמן, מרסיסים קרמיקה, וסגסוגת מתקדמות הפכו את גלגל התגובה לגלגל רוטטור הפיתוח.החידושים האלה להפחית את המסה, לשפר את עמידותם, ומאפשרים ביצועים גבוהים יותר, ישירות ליהנות ממגוון רחב של חלליות.המשך מחקר לתוך nanostructured, חכם, ועצמי מבטיח לדחוף את הגבולות קדימה, ביצוע משימות עתידיות - מחיפושים עמוקים ועד מגה-יכולות ועד למגירות - יותר מאשר אי-פעם חומרים אמינים.