השפעת אופניים תרמליים על ביצועים החומרי של החללית

Spacecraft פועל בסביבות שבהן טמפרטורות יכולות להתפתל מאות מעלות צלזיוס במסלול יחיד. בצד השמש, לוויין במסלול כדור הארץ נמוך עשוי לעמוד מול טמפרטורות מעל +120C, בעוד דקות ספורות לאחר מכן, בצל כדור הארץ, הוא יכול לצלול למטה - 150 מעלות צלזיוס, רכיבה בלתי פוסקת בין קיצוניות - המכונה רכיבה תרמית - מסובבת כל רכיב, מפאנלים מבניים ועד לאלקטרוניקה, לחזור על מנת לקצר את ההשפעות החומריות וההתרחבות הגופנית של חומרים אלה.

מהו Cycling?

אופניים מסיבי מתייחס לחשיפה חוזרת של חומרים לשינוי טמפרטורות גבוהות ונמוכות. בחלל, כל מעבר מאור השמש לצללים (או מדחף יורה לסחף מרוחק) מהווה מחזור תרמי אחד.מספר המחזורים של חלליות שחוויות חלליות תלויות במסלולו ובחיי העיצוב שלו. לוויין במסלול כדור הארץ נמוך (LE) משלים בערך 16 מסלולים ליום, תוך הפחתה של יותר מ-5,800 מחזורי חום גדולים יותר, אך בטווח הארוך, אך בטווח הארוך יותר ממחזורי כדור הארץ, אך בטווח הארוך יותר מטמפרטורה של זמן קצר יותר מטווח חום ומחזורי כדור הארץ, אך בטווח הארוך, אך בטווח הארוך יותר, אך בטווח הארוך, אך בטווח הארוך יותר, אך בטווח הארוך יותר, אך בטווח הארוך יותר, אך בטווח הארוך יותר, אך בטווח הארוך יותר, אך בטווח הארוך יותר, אך בטווח הארוך יותר, אך בטווח הארוך יותר, אך בטווח הארוך, אך בטווח הארוך יותר, אך בטווח הארוך, אך בטווח הארוך, אך בטווח הארוך, אך בטווח הארוך, אך בטווח הארוך יותר, אך בטווח הארוך, אך בטווח הארוך, בטווח הארוך יותר, לעומת זאת, אך בטווח הארוך, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, בעודו של מחזורי כדור הארץ, בטווח הארוך יותר, לעומת זאת, בטווח הארוך יותר, בעוד שאורכו של כדור הארץ,

במהלך כל מחזור, חומר מתרחב כאשר מחומם וחוזים כאשר קריר.המקדם של התרחבות תרמית (CTE) מחלחל שינוי ממדי זה.כאשר חומרים שונים מחוברים יחד - כגון הוספת מתכת בחלונית מורכבת דבש - התרחבות אדישה מייצרת לחצים פנימיים.מעל מחזורים רבים, לחצים אלה יכולים ליזום סדקים, לגרום עיוותים מפלסטיק, או להוביל לעייפות.

מעבר לאפקטים המכניים, רכיבה על אופניים תרמיים יכולה לשנות תכונות כימיות וגופניות. פולימרים עשויים לעבור תגובות לאחר הניתוח, הריסות, או עלייה במגירות. ציפויים של ה-Rmal-barrier יכולים להשחית.אפילו רכיבים אלקטרוניים חווים שינויים באמינות של מכר-joint. וכתוצאה מכך, רכיבה תרמית היא אחת הבדיקות הסביבתיות הקריטיות ביותר של סוכנויות חלל כגון נאס"א ו-ESA עבור כל חומרת.

השפעות על ביצועים חומריים

ההשפעה של רכיבה תרמית על חומרי חלל יכולה להיות מקובצים לשלוש קטגוריות רחבות: השפלה מכנית, שינויים פיזיים / כימיים, וכשלונות פונקציונליים.כל אחד מהם מתבטא אחרת בהתאם לחומר ולתפקידו בחללית.

הנדסת מכונות

התרחבות תרמית חוזרת וההיגוי יוצרת לחץ מחזורי קובע כי מניע כמה מצבי כישלונות:

(FLT:0Microcracking and Fatigue:BuildFLT:1 in מתכות, לחץ תרמי מחזורי יכול לנקב להקות חלקלק ומיקרו-קracks אשר מתפשטים לאורך זמן, בסופו של דבר מוביל לשבר.זה בעייתי במיוחד במבנים דלים, מפרקים מחוסנים, ואזורים בלחץ גבוה.
(FLT:0) מחיקה ודבד: ⁇ 1 (במרכיבים ותחתונים מחוברים, העיוות ב CTE בין שכבות (למשל, סיבים פחמן ו-epoxy matrix) יוצר מתחים בין-laminar.מעל מחזורים רבים, לחצים אלה יכולים לגרום לשכבות נפרדות (הפלמנטום) או אג"ח דבקים כדי להיכשל זה הוא עניין משותף אנטנה.
(FLT:0Creep and Stress Relaxation:FreaLT:1 טמפרטורות גבוהות במהלך רכיבה על אופניים יכול להאיץ את המצטפת במכות ובפולימרים.גם אם הטמפרטורה העליונה נמצאת מתחת לנקודת ההמסה של החומר, עומס תרמי מתמשך על פני אלפי מחזורים יכול לגרום לעיוות קבוע או אובדן של עומס בממריצים ובמעיין.
(FLT:0) , Thermal Ratcheting:FLT:1 כאשר חומר עובר עיוות פלסטי סימטרי במהלך שלב חימום וקירור, זה יכול לצבור בכיוון אחד עם כל מחזור.זה רפטינג יכול להוביל עיוות מתקדם או קריסה, במיוחד צינורות דקים ופגזים.

שינויים פיזיים וכימיקליים

אופניים לא רק לייצר מתחים מכניים.התנודות הטמפרטורה יכולות להניע שינויים ברמת מולקולרית:

(FLT:0Outgassing and Contamination:cioFLT:1) תרכובות וולטיל לכודים בפולימרים או adhesivesives עשויים להיות משוחררים בטמפרטורות גבוהות.Invas, מינים אלה של חומרים מגזים יכולים ליישר על משטחים קרים (אופטיקה, רדיורים תרמיים, חיישנים) וביצועי אופניים תרמיים חוזרים יכול להאיץ את הגזים על ידי פתח מיקרו-מפלקסים המספקים.
(FLT:0)brittle-to-Ductile Transitions:FLT 1:1 כמה פולימרים (למשל, קפטון, Mylar) הופכים למפואר לאחר רכיבה תרמית חוזרת על עצמה בגלל פיסול שרשרת או קישור בין עיגול המושרה על ידי טמפרטורה וקרינה אולטרה סגולה ואקום.זה גורם להם לפצח תחת עומסים מכניים עוקבים.
(FLT:0) טרנספורמציות שלב: 1) מתכות מסוימות עשויות לעבור שינויים בשלב בקיצוניות הטמפרטורה.לדוגמה, ⁇ טיטניום יכול ליצור precipitates אומגה-phase אם מוחזק בטמפרטורות ביניים, צמצום סגסוגת דיקטיון.צורה-memory המשמשים במפעלות מסתמכים על מעברים בלתי הפיכים, אך מעברי אופניים תרמי יכול להשתנות (עייפות).
חומרים שנחשפו לטמפרטורות גבוהות בחמצן החייתי (למשל, במהלך בדיקות או באווירה דלת-העדן) עשויים להחמצן.

כשלים פונקציונליים

מעבר לנזק ברמת החומר, אופניים תרמיים יכולים לפגוע בביצועים של תת-מערכות שלמות:

(FLT:0)Solder Joint Fatigue:FreaLT:1 אלקטרוניקה, CTE תואם בין לוחות מעגלים מודפסים (לעתים קרובות FR-4 או פולימידיד) וחבילות השבבים הקרמיקה יוצרות מתח תרמי על מפרקי מכר.לאחר מאות עד אלפי מחזורים, המפרקים מפתחים סדקים שמפתחים עמידות חשמלית ובסופו של דבר גורמים מעגלים פתוחים.
(FLT:0) אופטומניזם משמיות: ההרחבה שונה בטבלאות אופטיות, מראות, ומבנים תומכים יכולים לשנות נקודות מוקד או איכות גלנט (התיישרות פעילה) או עיצובים athermal (באמצעות חומרים נמוכים-CTE כמו Invar) נדרשים.
(FLT:0) דיקטטורה של מכניזם Binding:cioFLT:1) אופניים אלרמאל יכול לגרום צמיחה או התכווצות בפריחה, צירים, ו latches.אם הנקה אינה מספיקה, חלקים עשויים לקשור או לפגב.זה קריטי במיוחד עבור אנטנה פורבס ומערך סולארי.

חומרים המשפיעים ביותר

בעוד כמעט כל חומר המשמש בחלליות הוא רגיש לרכיבה תרמית במידה מסוימת, שיעורים מסוימים פגיעים במיוחד בגלל התכונות הפנימיות שלהם או יישומים משותפים.

מתכת וכלולים

⁇ אלומיניום (למשל, 6061, 7075) להישאר פופולרי עבור אלמנטים מבניים בגלל יחס גבוה כוח-משקל שלהם - עם זאת, הם מציגים CTE מתון (23 pm / ° C) ויכולים להסס בסביבות קורוזיביות אם הם מחזור שוב ושוב סגסוגת טיטניום (עד 6Al-4V) יש CTE נמוך יותר (8.5m / C) ו- C) והם רגישים מאוד כמו סגסוגת חום גבוה של נירוסטה (אך הם סובלים מטמפרטורה גבוהה יותר) הם סובלים מ-286.

פולימרים ו-Elastomers

פולימרים משמשים נרחב בידוד תרמי (למשל, קפטון, Teflon), דבקים, מניקה תרכובות, וחותמות. שלהם CTE (50–200 ppm / ° C) ו מוליכות תרמית נמוכה להפוך אותם רגישים מאוד ללחץ תרמיים.מחץ חוזר יכול לגרום לנפיחות, עיגול, ו embribriment Elastic בשימוש ב-Otams; לעתים קרובות לחץ אופטי (מפוס) או חסימתם) הוא צורך ברקמות.

המונחים

פחמן- סיביל (CFRP) הם פרס על הנוקשות הגבוהה שלהם ו CTE נמוך בכיוון הסיבים (near אפס) עם זאת, המבנה שלהם להפליג אותם למיקרו-קלרינג ודלמנטום אם הלחץ עולה על הדחף הבין-דלקתי (CTE שלילי לטווח ארוך עבור סיבים רגישים וסיבים) כמו CTE מטבוליים (מריצה) או ממתכת (מחץ) גם יכול לסבול ממטרהחומרי לחץ גבוה יותר (מריצה) או ממתכת).

סראמיקים ומשקפיים

Ceramics יש מאוד נמוך CTE (למשל, fused silica -0.5 ppm / ° C) אבל הם בשפע מטבעו.רכיבה תרמית יכול ליזום סדקים על פגמים משטח, במיוחד אם החומר חווה שינויים טמפרטורה מהירה (הלם כפול) זכוכית-צווארי כמו Zerodur משמשים עבור מראות טלסקופ בגלל אפס CTE, אבל הטבע שלהם מתפתל דורש משקף בזהירות על ידי מרקע תרמיל או מכווץ עבור מכווץ.

סוכני בונד וסוכני בונד

Adhesives משמשים נרחב עבור חיבור מבני (למשל, תאים סולאריים לפאנלים, MLI שמיכה, והחזקה רכיב) הרכיבה תרמית יוצרת הרדאר וקליפות בקווי האג"ח.Eoxies יכול להיות מתפתל לאחר מחזורים רבים, בעוד סיליקון עלול לצאת גז או לאבד את הדבקות.נאס"א ו- ESA יש סטנדרטים עבור הסמכה דבקה, כולל בדיקות אופניים תרמיות מתחת לוואקום.

אסטרטגיות מייגציה

מהנדסים משתמשים בגישה רב-המתקדמת כדי להפחית נזקי אופניים תרמיים, שילוב של בחירה חומרית, טכניקות עיצוב, בקרה תרמית פעילה ובדיקות קפדניות.

אפשרויות ל-Purface Treatments

חומרים (FLT:0)Low-CTE: 1FLT9; כאשר יציבות ממדית היא קריטית, חומרים כמו Invar (Fe-Niסגסוגת, CTE - 1.2 ppm/ ° C) או מטבוליות פחמן-פיבר עם כיסים מותאמים נבחרו.
(FLT:0) ציפויי מחסום גולגולתיים: ⁇ 1:1 , Ceramic ציפויים (למשל, ציפויים תרמיים המבוססים על zirconia) יכולים לבודד רכיבי מתכת, להפחית תנודות טמפרטורה.
(FLT:0)Surface מסיים:FLT:1Buildive colors, קלטת צ'פלין מכוסה, או רפיחים סולאריים אופטיים שולטים באבסרטוטיביות ובנחישות למזער קיצוניות טמפרטורה.
(FLT:0Crosslink Density Control בפולימרנים: FLT:1 שימוש בפולימניידים עמידים בקרינה ובחירת elastomers עם גמישות דלת-טמפרטורה טובה (למשל, butyl, EPDM) יכול לשפר את חיי הרכיבה.

שיפור עיצוב

(FLT:0) משותףי ו- Flexures:BuildFLT:1) שילוב פעמונים, מזחלות, או פיוטים גמישים מאפשר התרחבות שונה ללא גרימת מתחים גבוהים.
(FLT:0)blanced CTE Stackups: in multilayer מודפס לוחות מעגלים או רבדים מורכבים, סימטריים כי השימוש בליבות נחושת-איבר-קוקופר יכול למזער את דף המלחמה.
(FLT:0) מעצבי איכות ובטיחות גורמים: FLT:1 ניתוח עייפות קלאסית (למשל, שלטון מינר) משמש לחיזוי חיים תחת מחזורים תרמיים צפויים.חלקים נבדקים עד 3-4 פעמים מספר הצפוי של מחזורי המשימה.
(בקיצורים קריטיים, ⁇ ) ⁇ (בקיצורים קריטיים), ממריץ מכני משני (למשל, סיכה, רצועה) מספק נתיב עומס גיבוי אם האג"ח מכווץ.

מערכות בקרה rmal

מערכות בקרה תרמיות פאסיביות ופעילות מתנדנדות טמפרטורה בינוניות:

(FLT:0)Passive:cioFLT:1 , שמיכות מרובות שכבות, רצועות תרמיות, חומרי שינוי שלב (PCMs), ומקרי קרינה עם משטחים של הרשאות משתנה. MLI יכול להפחית את החלפת החום על ידי סדר גודל, להאט שינויים בטמפרטורה.
(FLT:0)Active:BuildFLT:1 , Heaters, קרירים, ו לולאות נוזל לשמור רכיבים בתוך להקת טמפרטורה צרה יותר.לדוגמה, מצבי הישרדות מבוקרים חום לשמור סוללות ואלקטרוניקה מעל טמפרטורות מינימום במהלך הליקוי. Active קירור באמצעות צינורות חום יכול לנתק חום ממרכיבים בעלי עוצמה גבוהה.

בחירת הגישה תלויה בשלב המשימה, תקציב החשמל, והמסה תרמית. עיצוב תרמי Spacecraft הוא משמעת מיוחדת; סוכנויות כמו נאס"א לפרסם ספרי יד מפורטים (למשל, נאס"א SP-8105) עבור ההתייחסות.

בדיקות ואימות

כל רכיב חלליות עובר בדיקות אופניים תרמיות לפני קבלת אישור.מבחנים הם לעתים קרובות לרוץ תחת ריק (אתרי-אתרי או TVAC) כדי לדמות את סביבת החלל.

(ב) [15] [17] , [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) ESA ECSS-Q-ST-70-04CIRLT 1:1 (התרגילים של ואקום) עבור הסמכה וקבלה.
(ב) ,0)3,364173,917 22,113 21,382 17,873 17,485 17,485 17,873 17,873 17,320 17,320 17,320 17,320

בדיקה כוללת בדרך כלל 1.5 עד 2 פעמים מספר המחזורים הצפויים, עם שולי טמפרטורה קיצוניים. במהלך ואחרי רכיבה על אופניים, בדיקות (ויזואלית, רנטגן, C-scan, המשכיות חשמלית) מבוצעות כדי לזהות נזק.

שיטות בדיקה ואפיון

הערכת האופיזציה של האופן שבו חומרים מגיבים לרכיבה תרמית חיונית להכשרה ולהזנת בחזרה למודלים עיצוביים.

(FLT:0) צ'ממקל הקרמינג: ראטמב 1 (התנורות המתוכננים הללו יכולים לשנות במהירות את הטמפרטורה (עד 100 מעלות צלזיוס/מין) בטווח רחב (-150 מעלות צלזיוס ל- +300 מעלות צלזיוס) עבור רכיבי חלליות, תאים לעתים קרובות רכובים בוואקום או מטוהרים עם גז לא רצוי.
(FLT:0) ניתוח אמפומכאי (TMA): ibph:1) שינויים ממדיים כתפקוד של טמפרטורה, מתן נתוני CTE.TMA יכול גם לזהות מעברי זכוכית או שינויים שלב.
(FLT:0) ניתוח מכני מינרלי (DMA): ibph:1 מאופיין תכונות מולקולות (storage Modulus, אובדן מודלוס) על פני טמפרטורה, חשוף או התגלמות.
(FLT:0Microscopy: FLT:1 לסרוק מיקרוסקופ אלקטרוני (SEM) ומיקרוסקופ אופטי לזהות סדקים, החלמה, או שינויים מיקרו-מבנה לאחר רכיבה על אופניים.
(FLT:0) הערכה לא-Destructive Assessment (NDE): IRLT:1 אולטרסאונד C-scan, הרוגרפיה, ותרמוגרפיה לזהות נזק תת-קרקעי. ניטור פליטה אקוסטי במהלך רכיבה על אופניים יכול ללכוד אירועים של סדקים בזמן אמת.

שיטות אלה, בשילוב עם ניתוח אלמנטים סופי (FEA) הכוללות תכונות חומרים תלויות טמפרטורה, מאפשרות למהנדסים לחזות חיי שירות ואופטימיזציה של עיצובים.

כיוונים עתידיים

בעוד שחיפוש החלל דוחף לעבר פני השטח הירח, מאדים ומעבר לכך, אתגרים על אופניים תרמיים יתגברו על מחזורי הלילה של הירח (28 ימי כדור הארץ) מייצרים תנודות טמפרטורה של כ-300 מעלות צלזיוס, ומשימות ארוכות טווח יחשפו חומרים לאלפים רבים של מחזורים.

(FLT:0) חומרים של ריפוי: ⁇ 1 (FLT:1) פולימרים ומורכבים עם מיקרו-capsulesules משובצים המכילים סוכני ריפוי יכולים לתקן microcracks לפני שהם propagate.
ייצור מתורבת עם CTE:03FLT:1 [ 3D הדפסה של מתכות וקרמיקה מאפשר שליטה מקומית של הרכב ו infill, פוטנציאל ליצור מבנים מדורגים הממזער ריכוזי מתח תרמיים.
(FLT:0) לקדם את ה-Hrmal Barrier Coatings:cioFLT:1 , אדריכלות חדשה ציפוי (למשל, עמודה-מבנה yttria-bilized zirconia) מציעים סובלנות טובה יותר מתוחה ודבקות.
(FLT:0) ניטור של החלפת:FLT:1 Embedded סיבים אופטיים (FBGs) יכול למדוד טמפרטורה וזן בזמן אמת, המאפשר ניטור בריאות מבני ואזהרה מוקדמת של הצטברות נזק.
(FLT:0)Machine Learning for Life Prediction: FIRLT:1) מודלים מונעים נתונים המוכשרים על תוצאות בדיקות רכיבה על אופניים תרמיות יכולים לחזות כישלון עם שולי פחות שמרנים מאשר עקומות S-N מסורתיות, המאפשרים עיצובים קלים ללא להקריב אמינות.

מסקנה

רכיבה על אופניים נשאר אתגר בסיסי לביצועים חומריים של חלליות.מממיקרו-קליקים במכות לדחמיון בתרכובות ובירוטאות בפולימרים, ההשפעות מגוונות ולעתים קרובות סינרגיסטיות עם סכנות חלל אחרות כגון קרינה וחמצן אטומי.עם זאת, הבנה מעמיקה של מנגנוני הכישלונות אלה, בשילוב עם מבחר חומרי חכם, תכנון חזק, בקרה תרמית, ובדיקה קפדנית, מאפשרת למהנדסים לבנות חלליות מתקדמות יותר, כדי לשרוד, כדי לשרוד, כמו גם על פני שנים ארוכות יותר, כדי לפתח את החלליות מתקדמות, כמו גם על פני מחזורי זמן, וטכניקות מתקדמות יותר, כמו גם על פני כדור הארץ, ולהוביל, כדי לפתח יותר, על פני כדור הארץ, על פני השטח, על פני מחזורי זמן, כדי לפתח יותר, על פני השטח, וניסיונות חיים, וניסיונות חיים, ולהוביל, ולהוביל, וניסיונות חיים, כדי לפתח יותר, כדי לפתח יותר, כדי לפתח יותר, כדי לפתח יותר, כדי לפתח יותר, כמו גם על פני כדור הארץ, כדי לפתח יותר, כדי לפתח יותר, כדי לפתח יותר, כמו גם על פני שנים ארוכות יותר, כמו גם על פני שנים ארוכות יותר, כמו גם על פני כדור הארץ, כדי לפתח שיטות מחקר, כדי לפתח שיטות מחקר