התפקיד של מזרז מכני בפיתוח של לווינים במשקל אור

לווייני משקל אור שינו את חקר החלל, המאפשרים משימות יעילות ותכליתיות ליישומים מסחריים, מדעיים והגנתיים.מרכז לבניית לוויינים אלה הוא התפקיד הממושך לעתים קרובות של מזרז מכני.מרכיבים קטנים אלה - רבדים, ברגים, רצים, רסיסים, ודגימות של תעשיות קלות - הם קריטיים לשמירה על שלמות מבנית, התאמת מכשירים רגישים, ולהבטיח אמינות בתנאים קיצוניים של מסלול וקוויקס, כמו גם לייטים מהירים יותר, כמו גם ללוויינים מהירים יותר, והופכים לטכנולוגיות ייצור.

חשיבותם של מזרזים מכניים בעיצוב לווין

מזרזים מכניים הם עמוד השדרה של התחנות הלווין.הם מצטרפים לפאנלים מבניים, עומסי שכר מאובטחים, מצמידים מערך סולאריים, ומחזיקים יחד מערכות הנעה.בלוויינים קלים, שבו כל דקדוק, מזרז חייב לספק קשרים מאובטחים בעוד שמצמצמצמצמצמציינת את תפקידם מעבר להצטרפות פשוטה: הם חייבים לעמוד בתנודות הנדסה, את הריק של החלל, תנודות קיצוניות (מ- 150 מעלות ל-C ל- + 120 מעלות), וחשיפה מהירה לקרינה), ואבדים או לכדי יכולת בחירה חופשית.

לווייני אור מודרניים משתמשים לעתים קרובות בעיצובים מודולריים, שבו תת-מערכות בנויות בנפרד ולאחר מכן משולבים. Fasteners מאפשרות מודולריות זו, המאפשרת אסיפה קלה יותר, בדיקות ותיקונים פוטנציאליים.הם גם מאפשרים שימוש בחומרים שונים, כגון פחמן-פיברב מורכב ופאנלי דבש אלומיניום, אשר נפוצים במבנים קלים.

המונחים היסטוריים

השימוש במדרנים מכניים בחלליות מתוארך בחזרה ללוויינים המוקדמים ביותר.לדוגמה, לוויין Explorer 1958 השתמש במברגים ובסדקים בפגזת הפלדה שלה.במשך עשרות שנים, שכן משימות דרשו עיצובים קלים וחזקים יותר, טכנולוגיות מהירות התפתחו.השינוי מאלומיניום לסגסוגת טיטניום בשנות ה-70 של המאה ה-20, תוך שמירה על כוח כיום, לווייני משקל קלים כמו Doves Global או Spires, המבוססים על פני מאות סגסוגת פולינזירים שונים של ליטן, והפכו לפולימרים, והפכו לכדי סגסוגת פולימרים מיוחדים, והפכו לכדי סגסוגת של סגסוגת פולימרים ב-70, אשר הפכו ממרחקים, אשר הפכו ממרחקים, והפכו לפולימרים, והפכו למאות סגסוגת פולימרים, והפכו לפולימרים, והפכו לכדי סגסוגת פולימרים, והפכו לפולימרים רבים.

סוגים של מזרז מכני בשימוש בלוויינים קלים

בחירת המזרז הנכון תלויה בדרישות העומס, התנאים הסביבתיים, מגבלות הרכבה, והתאמה חומרית.

  • (FLT:0)Screws ו Bolts:FreaLT:1) המזרז הנפוץ ביותר, המשמש למפרקים מבניים, צמידים וציוד עולה.הם באים בסגנונות ראש שונים (למשל, Hex, pan, Countersunk) וסוגי נהיגה (למשל, פיליפס, Torx, hext).
  • (FLT:0)Rivets: FLT:1 מזרזים קבועים המשמשים במבנים ראשוניים שבהם יש צורך בכוח הרהר גבוה. ⁇ עיוורים פופולריים עבור יישומים שבהם הגישה מוגבלת לצד אחד.
  • (FLT:0) קלמפים ו קליפים: FLT:1 משמש לאבטחת כבלים, משחות, או רכיבים קטנים.הם להפחית את הצורך בבורגים מרובים ומאפשרים דיסמברלי במהירות.
  • (FLT:0) הכנסתים:FLT:1 בשימוש כאשר מרכיבים דורשים לעתים קרובות disassembly או כאשר צנרת לחומרים רכים (למשל, מרוכבים או אלומיניום) הכנסתים עשויים לעתים קרובות פלדה אל-חלד או טיטניום ויכולים לכלול תכונות נעילה כגון כתמים ניילון.
  • (FLT:0) Quickeners:cioFLT:1 בשימוש נרחב במבנים הניתנים לפרוס, כגון לוחות סולאריים או אנטנות.אלה כוללים מזרזי רבע-החזרה ובורגים שבויים שאינם יכולים להיאבד במהלך ההפקה.

כל סוג נבחר לא רק לביצועים מכניים, אלא גם לנכסים מגזימים, ניקיון מגנטי והתאמה עם חמצן אטומי (בסיבוב כדור הארץ נמוך) לדוגמה, FLT:0ESA חומרים מנחים ל-FLT:1 דורשים חומרים דלים גזים כדי למנוע זיהום של אופטי או משטחים תרמיים.

אפשרויות ל Fasteners

(ב) בחירה היא קריטית. AISI 316 נירוסטה פלדה נפוצה עבור יישומי קורוזיה שלה כוח, אבל ב - 7.9 g / CM / 3 זה כבד.FLT:0Titanium alloysalחזקsFLT 1 (למשל, Ti-6Al-4V) מציעים יחס של כוח משקל עד 30% יותר מאשר פלדה, עם צפיפות (4.4 g / 3) יש גם פולימרים גבוהים יותר, 000;

היתרונות של שימוש באנרגיות מכניות בלוויינים קלים

בהשוואה לשיטות חלופיות להצטרפות כמו Welding, אג"ח דבק, או מבנים מורכבים מודפסים תלת-ממדיים, מזרז מכני מציע כמה יתרונות נפרדים:

  • (FLT:0Weight Reductionve: FLT:1 באמצעות סגסוגת גיאומטרית אופטימיזציה וסגסוגת גבוהה סטרנגית, מזרז יכול להיות מאוד קל משקל. לדוגמה, מברג סטנדרטי M4 טיטניום שוקל בערך 1 גרם.ב לוויין עם מאות ממריצים, חיסכון במשקל מוסיף.
  • (FLT:0)Ease of Assembly and Maintenance:FLT:1 Fasteners לאפשר בנייה מודולרית. Components ניתן לבנות במקביל, ולאחר מכן משולב.זה מאיץ את הייצור וסימולציות בדיקות.אם רכיב נכשל, ניתן להחליף אותו ללא פירוק המבנה כולו.
  • (הופנה מהדף ⁇ :0) ⁇ (הרבי) יש מורשת ארוכה בחלל; הם צפויים, עם מצבי כישלונות מוכרים היטב. Standards from ארגונים כמו FLT:2 National Aerospace Standard (NAS)FLT 3 ו- ISO להגדיר לערכים, עומס ועייפות, מהנדסים יכולים לטשטש התנהגות מתחת לרחף ובטחון.
  • (FLT:0)-Effectiveness:FreaLT:1) ממריצים מכניים הם בדרך כלל זולים יותר מאשר דבקים מיוחדים או תצורה של נביחות.הם אינם דורשים זמני ריפוי או הכנה על פני השטח יקר.
  • (FLT:0Disassembly for Inspection:cioFLT:1) Fasteners לאפשר בדיקה לא הרסנית של מפרקים.מהנדסים יכולים לאמת מראש באמצעות מדידות torque או שיטות קוליות.אם אנומליה מזוהה, ניתן לקחת את המשותף בנפרד ולעבוד מחדש.

אתגרים ושיקולים בבקשות חלל

למרות היתרונות שלהם, מזרז מכני להתמודד עם אתגרים ייחודיים בסביבת החלל.מהנדסים חייבים להסביר:

  • (FLT:0) וייברציה-Inducing פודינג:03FLT:1 במהלך ההשקה, לווינים חווים רטטים אינטנסיביים (עד 20 גרם RMS) ללא מנגנונים מתאימים, מזרז יכול לחזור.זה מצטמצם על ידי שימוש בתכונות מנעולים: תרכובות חוט אווירובית (למשל, לוקט 242), מנעולים (למשל, טבעת נמוכה, לא מפולת, לא מכווצת, לא מכווצת, לא מכווצת, כמו מנעולים).
  • (FLT:0) Thermal הרחבה Mismatch:FLT:1 Satellites לחוות תנודות טמפרטורה רחבות.אם ממריץ (למשל, פלדה) וחומר ההזדווג שלה (למשל, אלומיניום) יש משככי-תועלת שונים של התרחבות תרמית (CTE), המפרק עשוי לאבד preload or become over-stressed Solutions.
  • (FLT:0Galvanic Corrosion: FIRLT:1) מואצת על ידי הסביבה החלל (במיוחד עם חמצן אטומי ב LEO), קורוזיה גליונית מתרחשת כאשר מתכות דיסימיות נמצאים במגע עם שכבת אלקטרוליטטה.כדי למנוע זאת, מזרזים לעתים קרובות מצופים עם קדמיום, אבץ-ניקל, או אלומיניום.
  • (בקיצור:0Outgassing: FLT:1 in ואקום, כל החומרים משחררים גזים.contaminating vapor יכול להפקיד על אופטיקה רגישה או לוחות סולאריים, ביצוע משפילים. Fasteners וציפוי שלהם חייב להיות ריק-baked כדי להסיר תרכובות תנודתיות. NASA ו- ESA לשמור מסדי נתונים של חומרים מאושרים (FalLT2A נאס"א החוצה מסד נתונים של 3FLTs Databases).
  • (FLT:0)Fatigue and Stress Concentrations:BuildFLT:1 ,קישורים יוצרים עלייה בלחץ.תחת טעינה מחזורית (למשל, מחזורים תרמיים, תנודות שיגור), מזרז יכול להיכשל על ידי עייפות.עומס נכון מפחית את הלחץ amplitude, אבל מעצבים חייבים להימנע מתוספת מופרזת כי נותן את הניתוח פיניטי הוא בשימוש כדי לייעל את הראש ואת המטריה.

אסטרטגיות עיצוב עבור אחריות

כדי להתגבר על האתגרים הללו, מהנדסי לווייני משתמשים במגוון אסטרטגיות עיצוב:

  • (FLT:0) שימוש בתכונות של נעילה: FLT:1 עבור מפרקים קריטיים, מהנדסים מציינים ממריצים עם צינורות ניילון או חוטים מעוותים (למשל, " אגוזים טבעיים").
  • (FLT:0)Material Matching: 1FLT:1 במידת האפשר, מזרזים נבחרים להיות CTE קרוב לחלקים ההצטרפות.לדוגמה, Ti-6Al-4V יש CTE -9 μm/mK, בעוד אלומיניום 6061 - 23 מיקרומטר / mK; אם הבדל הוא בלתי נמנע, העיצוב המשותף עשוי לכלול אלמנטים כמו מומים.
  • (FLT:0) Redundant Fasting Systems: FLT:1 עבור רכיבים קריטיים בטיחותיים כגון קווי מניעה או בוממות פורסים, מהנדסים מציינים מספר רב של ממריצים (למשל, ארבעה ברגים שבהם יהיה מספיק כישלון).
  • (ב) [15] ,0) ,Use of Messenger-Locking Compounds:03FLT) 1 אישור גזים נמוכים-מסוגים כגון לקטיט 243 או הנלקס 547 מספקים כוח גבוה נגד רופפת.
  • (FLT:0)Preload Verification:FLT:1 במהלך האסיפה, תעלות טורק משמש, אבל מערכת יחסים טרום-העומס יכול להיות לא עקבי עקב וריאציות חיכוך. עבור מפרקי אחריות גבוהה, מהנדסים למדוד מראש באמצעות זנים ישירות או מדמונים של אודיו.

בדיקה ושילוב של ממריצים לחלל

מזרזים המשמשים לווייני משקל עוברים בדיקות קפדניות כדי לעמוד בסטנדרטים של חלל.מבחנים אופייניים כוללים:

  • (ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) בדיקה של Vibration:FLT:1; 1) פרופילים רטט אקראיים (10–2000 הרץ) מפשטים עומסי שיגור. Fasteners מותקנים בלוחות בדיקה וכפוף לתנודות ברמה מלאה עבור מספר אקסס.
  • (FLT:0) Thermal Cycling:FLT:1) Fasteners הם מעגל בין קיצוניות חם וקור (למשל, -150 מעלות צלזיוס ל +120 ° C) בוואקום כדי לזהות רופפת או מתח מרגיע.
  • <חזק>Outgassing Measurement: אובדן המוני הכולל (TML) ואסף חומרים עמידים ותנודתיים (CVCM) נמדדים ל- ASTM E595. מגבלות ניתנות להשגה הן בדרך כלל TML <1% ו- CVCM <0.1%.
  • בדיקה אחרונה ב-17 במאי 2010. ^ "FLT:0Corrosion Testing: 1FLT:1 Salt תרסיסs Testing (ASTM B117) או galvanic corrosion Testing with Carbon-fiber Panel.
  • (FLT:0) יחסי חישה: ההרחבה 1 (FLT:1) כדי לקבוע את מומנט ההתקנה האופטימלי ואפיין משככי חיכוך.

ארגונים כמו FLT:0 NASA-STD-601603IRLT:1 (Standard Materialss and Processes for Spacecraft) ו-FLT:2ECSS-Q-ST-70-36CFLT:3 מספקים הנחיות למבחר מהיר ובדיקה.

חידושים בטכנולוגיות Fastener עבור לווייני משקל עתידיים

כשלוויינים הופכים קטנים יותר ומסוגלים יותר, הטכנולוגיה הממושכת ממשיכה להתפתח.

  • (FLT:0)Additive Manufactured Fasteners:FLT ( 1:1 3D הדפסה מאפשר גיאוגרפימטות מותאם אישית להפחית במשקל יותר.לדוגמה, ראשי ליברגן מבניים עם מסה מופחתת תוך שמירה על יכולת גלישה.
  • (FLT:0) מזרז: 1.FLT 1 משלב חיישני זנים או תגי RFID לתוך מזרז כדי לפקח על עומס במסלול.זה יכול לאפשר ניטור בריאות של מבנים לווייניים ללא חיפוש נוסף.
  • (FLT:0)Dissimilar חומרים להצטרף: FIRLT:1 , טכנולוגיות ציפוי חדש (למשל, חמצון אלקטרוליטי פלזמה של אלומיניום) להפחית קורוזיה גליאנית, המאפשר שימוש באנרגיות אלומיניום קל משקל עם תרכובות פחמן.
  • (FLT:0) Biomimetic Fasteners:03FLT:1) עיצובים בהשראת כפות רגליים gecko או חוטי mussel המספקים דבקות ללא חוטים, למרות שעדיין ניסיוניים, אלה יכולים לאפשר הפיכה, אפס גזים מפרקים.
  • (FLT:0)Ultra-Miniature Fasteners:BuildFLT) 1 עבור CubeSats ו- ChipSats, מזרזים קטנים כמו M1.2 (0.8 מ"מ) מפותחים עם תכונות של נהיגה עצמית. שיטות ייצור מוקדם כמו מיקרו-מינג ו- EDM מאפשרות רכיבים זעירים אלה.

מחקרים: הצלחה מהירה במשימת לוויין לא נוחה

לוויינים של Planet Labs Dove Satellites

Planet Labs מפעילה קבוצת כוכבים של מאות 3U CubeSats (כל אחד -5 ק"ג) העיצוב שלהם משתמש ב-Avasa של סגסוגת אלומיניום עם לוחות פחמן-פיבר. Fasteners הם בעיקר M2.5 titanium ברגים עם צינורות ניילון עצמיים.כדי לפשט את ההרכבה, הם משתמשים ברגים שבויים במקומות שבהם הגישה מוגבלת.

נאס"א: יוזמת שיגור של קובצי ה-CubSat (CSLI)

רבים של CubeSats שפותחו תחת שימוש בתבניות מזרז סטנדרטיות (למשל, CubeSat פורסט רכבת) מסילות רכבת (CymbSat) הם לעתים קרובות אלומיניום מנוסד קשה, ומזרזים הם נירוסטה עם שחצני טיטניום כדי למנוע גלידת מהנדסים.הדיווח כי כישלונות מהירים הם נדירים מאוד כאשר שיטות קירור נאותות ונעול משמשים.

ESA's Sentinel Satellites

אף על פי שגדול יותר (למשל, Sentinel-1 ב-2.3 טון), היוזמות הקלות של ESA משתמשות באנרגיות מתקדמות במודולי המטען שלהם.עבור ה-FLT:0Sentinel-1FLT:1 לווייני לוויין, מהירויות טיטניום נבחרו עבור מנגנוני פריסת אנטנה SAR.הם שילבו מנעולים אדומים ונבדקו עבור 12,000 מחזורים תרמיים במשימת הריק ממשיכה לפעול מעבר לחיים הקשורים ל-נורמדומים.

שיטות הטובות ביותר למהנדסים

בהתבסס על עשורים של עיצוב לווייני, כמה שיטות טובות יותר מופיעות לשימוש במשדרים מכניים בלווינים קלים:

  • תמיד להשתמש בחומרים מתקדמים בחלל, ולהימנע ממריצות ברמה מסחרית, אלא אם כן ניתן לשחזר באופן מלא.
  • עיצוב לעומס הנכון: מספיק כדי למנוע הפרדה תחת עומסי התיק הגרועים ביותר, אך לא כל כך גבוה כדי להניב את הממריץ או לפגוע במפרק.
  • מזער את מספר גדלים ממריץ שונים כדי להפחית שגיאות ההרכבה ולפשט את הלוגיסטיקה.
  • שקול אפקטים סביבתיים: חמצן אטומי יכול לשקוע אלמנטים מנעולים פולימרים; להשתמש מנעול מתכת במקום.
  • שילוב חיבור חשמלי במידת הצורך: מזרזים המחברים לוחות מערך סולאריים לצ'אסאסים חייבים לספק נתיבים לצמצום של פריקה סטטית.
  • נהלי נייר ולהשתמש בכלים calibrated. בצע ביקורות טורק במהלך שילוב.
  • תוכנית לבדיקה: השתמש בשיטות לא הרסניות כמו רדיוגרפיה או דונוסקופ כדי לאמת את ההתקנה הממושכת במפרקים נסתרים.
  • שמור על המורשת: אם עיצוב מהיר הוכח במשימות קודמות, מעדיף אותו על פתרונות חדשים אלא אם כן יש יתרון ברור.

מסקנה

מזרז מכני הוא חיוני בפיתוח של לווינים קלים.הבחירה הנכונה, העיצוב והיישומים שלהם תורמים ישירות להצלחה המשימה על ידי הבטחת שלמות מבנית, המאפשרת אסיפה מודולרית, ועם הסביבה המרחב הקשה.מברי טיטניום בקובאס כדי לצרף את הכניסות זעירות בחלליות בקנה מידה שבב, מהרנרים ממשיכים להתפתח.