כיצד הטילה אקוורינג מנחה את התפתחות חומרי חלל קלים

משוואה טילים טיסולובסקי, שנוסחה לראשונה על ידי החלוצי הרוסי קונסטנטינוס צ'ולקובסקי בשנת 1903, נותרה מערכת היחסים המתמטית החשובה ביותר באסטרונאוטיקה.הוא שולט על האופן שבו חללית משנה את מהירותה בהתבסס על המסה של דחף שהיא נושאת ויעילות המנועים שלה.עבור מהנדסים מעצבים את הדור הבא של החללית, משוואה זו אינה רק סקרנות היסטורית קלה יותר – זהו כלי מעשי שמכתיבים את הפרטים הבלתי נמרצים, אלא גם את החלל, אלא גם את החומרים החזקים יותר, אלא גם את החומרים, אלא גם את החלל, אלא גם את החומרים העלולים, אלא גם את החלל, אלא גם את המשתנים באופן ישיר יותר, אלא גם את החומרים הנוסחאות, אלא גם את החלל, אלא גם את החומרים המשתנים יותר, אלא גם את החומרים המשתנים יותר, אלא גם את המשתנים יותר, אלא גם את הנוסחאות, אלא גם את החומרים המשתנים יותר, ולכן, ולכן, ולכן, ולכן, ולכן, ולכן, ולכן, ולכן, לא רק כדי למנוע יותר, אלא גם את החומרים החזקים יותר, ולכן, ולכן, ולכן, ולכן, כלומר, ולכן, ולכן, לא רק למעבדות יותר, ולכן מהנדסים, לא רק למכוניות, אלא גם את המשוואות החלל, אלא גם את המשוואות החלל,

הבנת הטילה נפילה במעמקים

(ב) משוואה הרקטות (ב[[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]

כדי לראות מדוע משקל חומרי חשוב, לשקול משימה פשוטה: לוויין הזקוק 5 ק"מ / של דלה-v להגיע למסלול העברת גיאוגרפית.אם המסה יבשה של הלוויין הוא 1,000 ק"ג והמנוע יש IFLT:0sporiph המשימה אקספונציאלית של 1 מ-300 שניות (טיפטי לרקטות כימיות), המסה הנדרשת היא כ-800 ק"ג, אך אם ניתן להפחית את ההשפעה המבנית של 1 ק"ג ל- 10 ק"ג ל-620 ק"ג, כמו גם כן, 000 ק"ג, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כ- 10 ק"ג, 000 ק"ג, כלומר, 000 ק"ג, כדי להפחית את עלויות של צריכת הפחתת כמות של צריכת דלק יעיל של צריכת דלק, 000 ק"ג, 000 ק"ג, 000 ק"ג, 000 ק"ג, 000 ק"ג, 000 ק"ג, 000 של כלי תחבורה יעילה ביותר של כלי רכב יעיל של צריכת דלק, 000 ק"ג, 000 ק"ג, 000.

מבחינה היסטורית, משוואה הרקטות אילצה את הסחר בין עומס, טווח ומורכבות.מודול הירח של אפולו, למשל, נבנה עם מבנה מסה מינימלי באמצעות עורי אלומיניום דקים ומסגרת מורכבת, קל משקל.היום, אותו לוגיקה שמניעה את התפתחותם של מסובכים מתקדמים, ⁇ מתכתי וחומרים קרמיקה המציעים יחס גבוה למשקל כוח עד משקל.

חומר קל משקל בעיצוב Spacecraft

תעשיית החלל כבר הכירה זמן רב כי המסה היא האויב של ביצועים. משוואה הרקטות קוונטית האויב הזה עם דיוק מתמטי.השבריר ההמונית - היחס של מסה יבשה למסה ראשונית - היא פרמטר עיצוב קריטי עבור רכב שיגור טיפוסי, השבריר ההמוני עשוי להיות סביב 0.10 עד 0.15, כלומר 85-90% של המסה ההמראה הוא דחף מלננטלית המסה יבשה על ידי אפילו 1% יכול לשלם את המשימה או לפתח חומרים מסוכנים, ולכן הם לפתח כוח חיים.

יתר על כן, חומרים קלים תורמים בעקיפין לאמינות ולבטיחות.חלל קל יותר מדגיש על מבני רכב ומערכות הפרדה, צמצום הסיכון של כשל במהלך העלייה בריכוז, זה גם מאפשר שולי גדול יותר ברזרבות מונעות, אשר ניתן להשתמש כדי לתקן שגיאות מסלול או להימנע מהריסות.במשימות מאוישות, שבו כל קילוגרם של חלל ותוחלת חיים מגיע פרמיה קלה, חומרים חופשיים עבור קרינה מתקדמת, כגון כלי שיט תעשייתי, תחזוקה של כלי רכב, על פני שטח, על פני שטח ולהפחית, לחץ מדעי, על פני מים מורכבים, על פני השטח.

חומרים קלים חשובים בחלל המודרני

כמה סוגים של חומרים הופיעו כפועלים בעיצוב חללי עכשווי, כל אחד מציע איזון ייחודי של נכסים.שום חומר יחיד אינו מושלם; הבחירה תלויה בדרישות ספציפיות של המשימה - החלפת טמפרטורה, שביל עומס, מגבלות ייצור ועלות.

פחמן-פייבר Reinforced Polymers

תרכובות פחמן-פיבר הן אולי החומר המבני הקל ביותר בכל מקום בלוויינים מודרניים ובחלליות. הם משלבים כוח רב-קרקעי גבוה עם צפיפות נמוכה (כ-1.6 גרם/3 לעומת 2.7 גרם/CM3) של אלומיניום, ניתן להתאים את Composites כדי לספק לחות בכיוונים ספציפיים, ויש להם התנגדות מצוינת של טלסקופ החלל ג'יימס Webb, למשל, שימוש בשכבות של קפסולת בגודל של פחמן ו- 16 ק"מ"מ.

אלומיניום-Lithium Alloys

אלומיניום-ליתיום (אל-לי) ⁇ הפכו לחומר של בחירה עבור רבים כלי רכב ומבני חללים מבנים ראשוניים. על ידי הוספת אחוז קטן של ליתיום (בדרך כלל 1–3%), הצפיפות של ⁇ עד 10% תוך שמירה על כוח דומה סגסוגת Alross קונבנציונאלי (אל ⁇ s) אלה גם שיפור קשיחות ונוקשות טובה יותר בטמפרטורות Cryogenic, מה שהופך אותם אידיאלי עבור מניעה כי צריך חמצן או למנוע מ -2 ליטרים).

מערכות הגנה אולטרה אור ו- Thermal Protection Systems

חומרים סרמיים הם חיוניים עבור יישומים עתירי זמן גבוהים, כגון הקצוות המובילים על כלי רכב של היפרוזיה או אריחים הגנה תרמיים. אריחי המעבורה של Spaceעבורת עשויים קצף קרמיקה מבוסס אחליקה, עם דחיות כמו נמוך כמו 0.14 גרם / CM3 - יותר מאשר עץ balsa - אך לא מסוגל לעמוד 1,400 מעלות צלזיוס מודרני כוללים קרמיקה עם סיבים נמוכים, אבל הם חומרים פגומים עבור סוללות כבדות חלשות, אבל הם לא יכול להיות מורכב יותר.

סרטים ומבנה מנופח

גישה נוספת לקל משקל היא להשתמש בסרטים פולימרים דקים ומבנים מנופחים שמפרסמים בחלל.הלוויני Echo (1960) היה בלון באורך 30 מטר שהראה את העיקרון כיום, בתי גידול מנופחים, מפרשים סולאריים, ואנטנות ניתנות לפרוס להשתמש בחומרים כמו קפטון, Mylar, ו-Kevlar כדי להשיג שטח גדול עם שיגור מינימלי.

אתגרים הנדסיים ומסחר

פיתוח חומרים קלים אינו רק על ביצוע דברים דקים או פחות צפופים.Spacecraft חייב לשרוד האצות שיגור אלימות, רכיבה תרמית מ -200 מעלות צלזיוס ל +120 מעלות צלזיוס, וחשיפה לקרינה, חמצן אטומי ואבק.כל בחירה חומרית כוללת עצירות בין כוח, קשיחות, התרחבות תרמית, גזי חמוץ, עלות, וקלות של ייצור.

אתגר גדול נוסף הוא ייצור בקנה מידה גדול של ייצור של ננו-חומרים או קרמיקה מתקדמת עשוי להניב נכסים מרשימים, אך העתק אותם לוחות גדולים, מוכנים לטיסה בעלות מקובלת קשה.ייצור משלים (3D הדפסה) מציע נתיב מבטיח, המאפשר מבנים מורכבים וקלים משקל שלא ניתן לבצע על ידי מאצ'ינג מסורתי.נאס"א יש חלקי מנוע רקטות מ-Inconel, חיסכון של 50% לעומת שכבת קיבולת של שטח, ו- 3D.

נזק קרינה הוא דאגה נוספת.כמה פולימרים ומורכבים מחשיפה לטווח ארוך לסביבה של קרינה החלל, אובדן כוח או מחוץ למזהמים.מגן מפני קרניים קוסמיות גלולקטיות דורש קירות מבניים עבים או פולימרים עשירים מימן מיוחדים.המסחר בין מסתה יעילה ומגן באופן פעיל הוא תוצאה ישירה של משוואה הרקטות: הגנה יותר פירושה מסה יבשה, אשר להפחית את הזמינות של חומר מימן עמוק כגון מתחמי (חומרים) או חומרים קרים (ממים) כגון חומר קרינה, כגון חומר קרמיים עתידיים (ממים) או חומרים קרים (מחוסנים באופן פעיל, כגון חומר קרינה).

מחקרים: כיצד חומרים קלים במשקל יכולים להיות משימה

טלסקופ החלל ג'יימס ווב

JWST, שהושק ביום חג המולד 2021, הוא יצירת מופת של הנדסה קלה. המראה הראשי שלה, 6.5 מטר בקוטר, עשוי 18 פלחי בירולון, כל אחד מהם היה מצויד זהב. Beryllium נבחר עבור צפיפות נמוכה שלה (1.85 גרם / ס"מ3), קשיחות ספציפית גבוהה, ויציבות Cryogenic מעולה.

Mars Science Laboratory (Curiosity) ו- Perseverance Rovers

המורדים עומדים בפני האתגר של כניסה גבוהה, ירידה, ונחתה (EDL) תוך ביצוע תשלום של מכשירים מדעיים. סקרנות השתמש במערכת נחיתה "קשנית" במשקל, שנעשתה בעיקר מקובעים פחמן-פיבר ו titanium. כיסאסיה שלה וגלגלים עשויים מסגסוגת אלומיניום-ליאתיום ומערכת גמישה שהצילה המונים בהשוואה לגלגלים מסורתיים יותר, אשר אפשרו להזרים יותר על גבי משטח זה של מתכתי מתכת או יותר.

SpaceX Starship

תוכנית פיתוח Starship מספקת דוגמא עכשווית של בחירת החומר המניעה של משוואה טילים.SpaceX תוכנן במקור לבנות Starship מתרכובות פחמן-פיבר, אך עבר לסגסוגת פלדה מיוחדת של אל-חלד (304L) לאחר מציאת כי הביצועים של זמן גבוה וקלות של ייצור פלדה עולה על עונש המסה, לעומת עלייה בנפח של פחמן גבוה יותר, פלדה דורש פחות הגנה תרמית מאשר אלומיניום או מבנים כי זה יכול לסבול טמפרטורות גבוהות יותר של פחמן-חלודה; בנוסף לרמה גבוהה יותר של פחמן-ד (אורד) לעומת זאת, לעומת עלייה של פחמן-דאין (DSD) הוא נמוך יותר מאשר פחמן-דאין (1.6.

גבולות עתידיים: ננו-חומרים, מטא-חומרים, וייצור אדפטי

במבט קדימה, משוואה הרקטות ממשיכה להניע מחקר לחומרים הדור הבא שיכול לאפשר אפילו משימות שאפתניות יותר.ננונוחומרים כגון צינורות פחמן וגרפן יש נקודות כוח תיאורטיות הרבה מעבר לכל חומר נוכחי, אבל ייצור גליונות מאקרוסקופיים ללא פגם נשאר אתגר. בדיקות בקנה מידה מעבדה להראות ננו-tube סיבים עם כוחות מעל 10a בדנות מתחת ל-1.4 /3, אשר יכול להתאים מהפכות מבניות, כמו גם לשחית, כמו גם לשחית, כמו גם לשחיתים פוטנציאליים.

מטאחומרים - מבנים עם תכונות שלא נמצאו בטבע - מאפשרים למעצבים ליצור חומרים שהם מאוד קל משקל עדיין נוקשה.לדוגמה, מבנים מיקרו-רטיצ'ים עם גיאוגרפיות תאי פתוח יכולים להיות בעלי דלקות נמוך כמו 0.0001 g/3, בעוד עדיין תומכים בעומסים משמעותיים.נאס"א ניסתה עם מיקרו-רטיטיס מתכתי עבור אלקטרודות סוללות ואפקטים אחרים הוא מסוגל לצמצום חומרים מיקרו-מדומים אלה, אשר יכולים להשתמש בחומרים מיקרוסקופיים של מיקרו-מיקרו-חומרים אוטונומיים.

ייצור אדקטיבית (3D הדפסה) כבר עושה השפעה על ידי לאפשר צורות מורכבות הממזערות את המסה. אלקטרון דבורים מתמס ו- סלקטיבי לייזר חטא יכול לייצר טיטניום או חלקי אלומיניום עם מנוף לקטונים אשר להפחית משקל על ידי 50% תוך שמירה על כוח.ייצור בתוך מרחב, שבו הסביבה הריק המיקרוגרפית עשויה לאפשר עיבוד חומרי חדש, יכול לקחת משקל לרמה הבאה, הטכנולוגיה חייבת להתגבר על בעיות הדפסה גדולות (מ"מ) ומיקרוגרפית).

יש גם עניין בחומרים ביו-ימיים – מבנים בהשראת עצמות, עץ או משי עכביש – שיש להם כוח ספציפי גבוה ופגיעה בסובלנות.עיצובים היררכיים המחקים את המיקרו של העצם יכול להוביל לחומרים מורכבים עם קשיחות משופרת.

מסקנה

משוואה הרקטות, מעל מאה שנים, רלוונטית כיום כאשר Tsiolkovsky כתב לראשונה את זה.זה מספק צורך מתמטי ברור: להפחית את המסה יבשה כדי להגדיל את הביצועים. חומרי משקל אור הם לא מותרות קוסמטית; הם מהווים גורם בסיסי של חקר החלל.ממממרכיבי פחמן-פיבר לסגסוגת מתקדמות וננו-חומרים עתידיים, כל שיפור ביחס של כוח-משקל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-לורד מרחיב ישירות את המעטפה, ומאפשר ללכת יותר, פחות, ולהגדיל את החלל, ולהגדיל, פחות.

בעוד האנושות קובעת את המראות שלה על נוכחות קבועה על הירח, משימה מאוישת למאדים, וחוקרים לכוכבי הלכת החיצוניים, הפיתוח של חומרים קלים חדשניים יישאר בחזית של הנדסת חלל.האתגר הוא לאזן חיסכון המוני עם מניפולציה, עמידות, ועלות - כל בתוך המגבלות הבלתי נסלחות של משוואה הרקטות.ה פריצת הדרך הבאה עשויה לבוא ממרומים בעבר, רומן מתכתי, או אפילו לא יאמן, אלא גם לא יאמן, בין השנים הבאות, אלא גם חומרים מאופקים, אך ורק כדי להמשיך את המהירות של הטכנולוגיה, אך ורק כדי להמשיך למולידי מדענים, אך ורק כדי להמשיך למולהם, אך ורק כדי להמשיך למולהם, אך ורק כדי להמשיך למולכם, אך ורק כדי למולכם, אך ורק כדי להמשיך למולכם, בין השנים, בין השנים, בין הטכניקות של מערכת יחסים בסיסיות, אך ורק אחר, אך ורק אחר, אך לא למערכות יחסים בסיסיות, אך ורק אחר, בין השנים, אך ורק אחר, בין הגלקסיות, לא למערכות יחסים בסיסיות, בין השנים, לא למערכות יחסים בסיסיות, אך לא למערכות יחסים בסיסיות, אך לא למערכות יחסים בסיסיות, לא מקבילות, אך ורק למולכם, אך ורק אחר, אך לא למערכות

לקריאה נוספת על חומרים קלים בחלל, להתייעץ עם משאבים מ-FLT:0reasESAFLT:1, The FLT:2NASA דוחות טכניים ServerveFLT 3: ומאמרים טכניים מן כתב העת FLT:4 Acta Astronautica MonumentFLT:5.