תהליכי ייצור חדשניים עבור גלגלי תגובה ביצועים גבוהים

הקדמה: עמוד השדרה של Spacecraft Attitude Control

גלגלי התגובה מספקים את הדיוק המצוין כי החללית המודרנית תלויה בהתבוננות כדור הארץ, חקר החלל העמוק והתקשורת.המכשירים המסובבים האלה מאחסנים ולהעביר תנופה זוויתית כדי להתאים את הכיוון של לוויין ללא גירוש דחף.כפי שדרישות המשימה צומחות יותר מדויק - דרישה של מיקרו-רדיאן מצביעה על יציבות ועל תקופות חיים מבצעיות לאורך עשור - תהליכי הייצור שמאחורי גלגלים התגובה חייב להתפתח במקביל.

מאמר זה בוחן את גישות הייצור האחרונות המספקות צפיפות גבוהה יותר, רמות רטט נמוכות יותר, ואמינות מורחבת עבור כאבי ראש של גלגל התגובה המיועדות לסביבות מחוספסות.

אתגרים לייצור Core עבור Reaction Wheels

בניית גלגל תגובה המבצע ללא פגם בוואקום של החלל כרוך במספר אתגרים הקשורים אליו.הרכבת הגלגל חייבת להיות מאוזנת כמעט לחלוטין כדי להימנע מהפחתה של פלטפורמת ה- jitterings ו lubricants חייבים לשרוד תנודות טמפרטורה של מאות מעלות צלזיוס תוך שמירה על חיכוך נמוך עבור מיליוני מהפכה רבים.

שיטות מסורתיות של מכונאים ורכבות נאבקות לעתים קרובות כדי לענות על דרישות אלה בו-זמנית, ולכן טכניקות ייצור מתקדמות מאומצות על ידי ספקים גדולים.

סובלנות ואסיפה Precision

אפילו וריאציות ממדיות קלות ברוטב, פיר, או דיור יכולים לצבור לתוך רצף בלתי מתקבל על הדעת. גלגלי תגובה ביצועים גבוהים דורשים לשאת סיבובי עת בתוך שבריר של מיקרומטר ו axial Runout מתחת 1 μm. רמה זו של שליטה דורש ציוד CNC רב-axis פועל בסביבות עמידת טמפרטורה והפעלה במתקני מעבדה.

בחירה תחת תנאים קיצוניים

גלגלים תגובה חייבים לקיים מהירויות סיבוביות גבוהות - לעתים קרובות מעל 5000 RPM עבור לווינים קטנים - בעוד עם רכיבה תרמית וקרינה נתקלה במסלול.חומרים חייבים לעמוד מול מיקרו-קפיצינג, יש שיעורי גז נמוכים כדי למנוע זיהום של אופטיקה, ולשמור על התכונות המכאניות שלהם על טווח טמפרטורה רחב (65 מעלות צלזיוס ל +125 מעלות צלזיוס הוא טיפוסי זה שילוב של הכוננים, דרישות ספציפיות, סגסוגת, או קרמיקה, אשר מעורבים.

פורצים דרך ייצור אדקטיבית עבור גלגלים רוטורים ושיכון

ייצור אדרטטיבי (AM) עבר מ prototyping לתוך הייצור של רכיבים באיכות טיסה.אבקת לייזר אבקת היתוך (LPBF) ו- אלקטרונים נמס (EBM) יכול לייצר ג'ממטים מורכבים שאינם מסוגלים ליצור על ידי שיטות תת-פרקטיביות בלבד. עבור גלגלים תגובה, AM מציע שני יתרונות עיקריים: ירידה באמצעות מבני lattice ושילוב של פונקציות זה לשפר ביצועים דינמיים.

Topology-Optimized Rotors

באמצעות ניתוח אלמנט סופי בקונצרט עם תוכנת עיצוב ניוון, מהנדסים יכולים ליצור צורות רוטטור כי במקום חומר רק שבו הלחץ הם הגבוהים ביותר. AM-produced titanium רוטטור, למשל, יכול להיות אזור מרכזי מוצק אבל מעבר דפוס דמוי אינטרנט של רדיו דוברי כי למקסם את הרגע הקוטבי של inertia תוך חיתוך מסה על ידי 25-35% לעומת חלק מוצק אלה.

יצרנים כמו FLT:0 HoneywellFLT:1ua ו-FLT:2Rockwell Collins (כיום קולינס Aerospace) ראשיFLT 3 השקיעו ביכולות AM עבור רכיבי גלגל תגובה, דיווחו על יחס של to-mass משופרים בטיפוסים.

בתי מלון ב-Integral Bearingשיכוןs and thermal Management Channels

יתרון נוסף הוא היכולת לשלב את הדיור הנושא, חותמות מעבדה, וערוצי קירור לתוך חלק אחד מיוצר באופן תוספתי. conformal קירור דוקטרקטים כי נחש סביב אזור הנושא ניתן לבנות לתוך הקיר הדיור, מתן דחייה יעילה יותר חום מאשר קטעים ממקדימים ישר.זה מפחית את אזור קורנטור הנדרש עבור הגלגל, יתרון משמעותי עבור לווייניים קטנים עם תקציבים ניהול תרמיים מוגבל.

דפי נחיתה וחוברת מ-FLT:0 ESA'scioFLT ( 1:1 , 1 2) יוזמה ייצור מתקדמת מראה כמה מחקרים מקרים שבהם טכניקות תוספת מופחתות ספירה חלק ב-40% ומחקו נתיבי דליפה פוטנציאליים במפרקי דיור.

עקבו אחרי Surface Engineering

למרות ההתקדמות בתהליכים תוספים, מאצ'ינג subtractive נשאר חיוני להשגת הסובלנות הדוקדקה הנדרשת על ידי גלגל התגובה נושאות וממשקים. מרכזי תפנית גבוהה עם ספיןדלס הידרוסטטיים ומשוב מדידה כלי-סולרית להחזיק באופן שגרתי ±1.5 מיקרומטר על קוטרים לשאת.משטח מסתיים מתחת לר 0.2 מיקרומטר הם חובה למנוע עיוותים סטרוויאליים כי יהיה לקצר את החיים.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « קשה להפוך את « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « רדילינג « « « « « « « « « « רדילינג רדילינג « « « רדילינג « « « רדילינג רדילינג רדילינג « רדילינג רדילינג רדילינג רדילינג « רדילינג רדילינג רדילינג רדילינג רדילינג

עבור יישומי גלגל התגובה, גזעים נושאים עשויים לעתים קרובות מ פלדה 440C נירוסטה או דרך AISI 52100 פלדה.קשה פונה עם CBN (כואב בורון ניטריד) יכול לייצר מסימני פני השטח דומים לחניקה תוך צמצום זמן מחזור וחיסול הצורך עבור קירור.עם זאת, שחיקה עדיין יש יתרון עבור גיאומטריה תובענית מאוד, כגון מגע אנגולרי הנושא ירכיים עם צינורות רבים לאחר מכן.

טיפול פנים ללבוש ופריצה

נושאי גלגל התגובה פועלים במשטרים של בידוד או גבולות במהלך שלב ההתחלה והעצירה, שבו ללבוש הוא הציפוי האגרסיבי ביותר וטיפולי פני השטח מסייעים להקל על זה:

• (FLT:0 Physical vapor deposition (PVD) ציפויים 1FLT:1 כגון טיטניום nitride (TiN) או פחמן דמוי יהלום (DLC) החלים על הכדורים והגזעים להפחית את התקני החיכוך עד למטה 0.1 ולשפר באופן דרמטי את ההתנגדות ללחיצת כפתור.
• (ב) [15] ⁇ ⁇ חנקן לתוך גזעים של נירוסטה יוצר שכבת ליד-קרקע קשה ללא שינוי ממדים, קריטי לשמירה על ערימות סובלנות.
• (ב) תהליכי העברת (FLT:0) 1:1 להתנגדות קורוזיה נשלטים בקפידה כדי למנוע מיצוי מימן שעלול להוביל לפצח תחת עומסי צנטריפוגה גבוהים.

טיפולים אלה מרחיבים את החיים על ידי גורמים של שלושה עד חמישה בדיקות חיים מואצות, כפי שתועדו בדוחות טכניים של נאס"א (FLT:0 Goddard Space Flight Center) 1

חומרים Composite ו Ceramic עבור Lighter, Stiffer Assemblies

חלקי מתכת שולטים בעיצובי גלגל התגובה המסורתיים, אך מורכבים וקרמיקה נמצאים יותר ויותר במערכות הדור הבא, במיוחד עבור חלליות קטנות שבהן תקציבי המוניות הדוקים ביותר.

פחמן-Fiber-Reinforced Polymer (CFRP) Rotors

סיבים פחמן גבוה-Modulus prepreg מניחות, כאשר autoclave-cured ודיוק-machined, יכול לייצר רוטטורים גלגל עם יחס נוקשה משקל מעל זה של אלומיניום על ידי גורם של חמישה. האופי האורתוטרופי של המורכב יכול לשמש גם כדי להתאים את הנוקשות רדיו ואת ההשחה, תוך צמצום ריכוז על פני אתגרים מרכזיים כוללים השגת סיבים פשוטים כדי למנוע קירור (מפרקים) עם מיקום אוטומטי עם מיקום של מתכתי) עם סגסוגת מחדש עם סגסוגת מחדש עם סגסוגת מחדש עם סגסוגת מחדש עם סגסוגת מחדש עם סגסוגת חדשה (Fic).

שירות ה-Vcuum

כדורי הסיליקון (Si3N4) הם עמוד ראשי בגלגל תגובה נושאים בשל צפיפות נמוכה שלהם, קשיחות גבוהה, ויציבות ממדית מעולה. כאשר יחד עם פלדה או קרמיקה, הם מאפשרים מהירויות סיבוביות גבוהות יותר ולהפחית את החום שנוצר בתוך המשטח של כדורי הקרסול כולל הוא דחף, מטומטח, מחוספס, ולאחר מכן לשחיטה / ⁇ כדי להשיג phericials (כולל בדיקות מיקרוסקופיות) יותר ממטר (Ricial) מתחת ל-0.1) יותר מאשר בדיקות מיקרוסקופיות (Ricial) מכילות מיקרוסקופיות (Ricial) מתחת ל-0.1) מכילות) כי הוא טיפול מיקרוסקופיות (Ricial) יותר מאשר קרמיקה) מכילות מיקרוסקופית (Ricial) מכילות מתחת ל-precereceicial) מכילות (Ricial) מכילות (Ricial) מכילות (Ricial) מכילות מתחת ל-Ricial) מכילות מתחת ל-p) מכילות (Ricial) מכילות מתחת ל-p) מכילות מתחת ל-Ricial) כי הוא לחץ דם למטה.

כמה מפתחים מתנסים עם (FLT:0 silicon carbide (SiC) irph:1 כחומר גזע עבור סביבות בזמן קיצוני (למשל, מחקר ונוס קרקעer), למרות הקשידות הנמוכה של SiC מגבילה כיום את השימוש שלה למהירויות נמוכות או למתן מענה יישומים.

איזון ואופי דינמי

מסה לא מאוזנת גלגל תגובה מתורגמת ישירות לכוחות רטט שיכולים להפריע עומסי שכר רגישים.תהליך האיזון הוא שער איכות קריטי בייצור.

2 - Plane Dynamic Balancing

לאחר ההרכבה, כל גלגל רוטטור הוא על מכונת איזון המדורגת את גודל לא מאוזן ואת זווית שלב. תיקונים נעשים על ידי הסרת חומרים (לחתוך או מנקה) באזורים שנקבעו מראש, או על ידי הוספת מסה קבועה (למשל, קביעת מברג חזק להגדיר ברגים או יישום של שגיאות אוויריות מלאות peoxy).

ספין-מבחן וניתוח חתימה

לפני הלידה, כל גלגל תגובה עובר בדיקות ספין תרמי-vacuum כדי לאמת את המעטפה ביצועים ולזהות אלגוריתמים incipient נושאת aomalies. הגלגל מואץ דרך טווח המהירות התפעולי שלו בעוד accelerometers ומיקרופוןs ללכוד חתימות רטטים. Sophisticated אלגוריתמים (למשל, ניתוח cepstrum, הדגמה) לזהות פגמים גזע, waviness, או חוסר יציבות כי לפעמים לא יהיה מקובל על ידי ניתוח זה לא יהיה על ידי דלקת מפרקים סטנדרטית, אבל זה לא יהיה במקרה של תאים, אבל זה לא יהיה במקרה של תאים, אבל זה לא יהיה מקובל על ידי ניתוח cepstrirdulation.

יצרנים שומרים על מסדי נתונים של תבניות חתימה שנרכשו במהלך הפיתוח ולהשתמש בהם כדי להכשיר מודלים זיהוי אנומלי עבור בדיקת הייצור.

אתגרים ומכשולים

גלגלי תגובה הפועלים בוואקום אינם יכולים להסתמך על לובריקים נוזליים לבדם משום שרוב השמנים מתאדמים או מצמררים מעל אזורי זמן המשימה.הפתרון הסטנדרטי הוא שיבוש המורכב משמן בסיס נמוך-וולטאי (למשל, perfluoropolyether, PFPE) ו עבה כי יש להם גזים נמוכים החלים.

מערכות פיזור אוטומטיות באמצעות רפלקציה ליד- infrared יכול למדוד את עובי הסרט במסלול המירוץ עם החלטה של 0.1 מיקרומטר, מתן בקרת תהליכים סגורים. חלק גלגלים לשלב חותמות מעבדה ואת החותם נוזל מגנטי להכיל את סיכה תוך מתן אפשרות חופש רוטט.

שילוב ודלק חשמלי

גלגל התגובה מונע על ידי מנוע DC חסר מברשת (BLDC), בדרך כלל עיצוב ללא מעצורים כדי למזער את התוספתן של מומנט.ייצור הממריץ רוח ומגנטים רוטורים כרוך תהליכים המשפיעים ישירות על ביצועי חשמל ואמינות.

שטף ומגנטיות אוטומטיים

לייצור גבוה בנפח, סלילי סטרטור הם פצע באמצעות מכונות מתפתלות זבובים שניתן לתזמן כל אחד מהם פונה עם מתח עקבי להשגת התנגדות אחידה בין השלבים.מערך המגנטי על הרוטור (לעתים קרובות samarium-cobalt, שנבחר ליציבות המגנטית שלו נגד טמפרטורה וקרינה) ממגנט לאחר ההרכבה לתבנית מותאמת אישית המפחיתה את ה-torript.

דיור וההרסה סטרין הקלה

הזנות ורתימות חוט מוקטנות עם epoxy ברמה החלל לאחר שנצמד דרך הדיור כדי למנוע תנועה תחת רטט.התהליך החיתוך חייב להיות מוגזם כדי להסיר בועות שעלולות לגרום פריקה חלקית בסביבה בלחץ נמוך. כמה יצרנים משלבים FLT:0hermetic FeedsFLT:1 באמצעות אטימות זכוכית-tometal או קרמיקה, אשר נבדקו מתחת ל 10 / 0xal ×miclowtstst.

איכות מובטחת ותהליך אימות

כל שלב ייצור כפוף לאימות קפדני כדי להבטיח כי גלגל התגובה הסופי עונה על מטרות החיים והאמינות המפורטות שלו.

מאמר ראשון Inspection (FAI) ו- Capability Studies

כאשר חלק חדש או תהליך מוצג, FAI מבוצעת כי אמצעים כל ממד ומאפיין כנגד כוונת העיצוב. שליטה בתהליך סטטיסטי (SPC) נתונים ממכונות CNC, תאי איזון, ומוניטורים נקיים נאספים כדי לחשב את יכולת האבחון (Cp ו- Cpk). ערך Cp מעל 1.33 נדרש בדרך כלל לתכונות קריטיות באיכות כמו נושאת קוטר.

בדיקות חיים

מדגם של גלגלים מכל ייצור הרבה נתון לבדיקות חיים מואצות המחסינות משימה של 10 שנים ל-6-12 חודשים על ידי הפעלת מהירויות גבוהות, טמפרטורות גבוהות יותר, ומחזורי התחלה תכופים יותר / עצירה.המידע שנאסף מעדכן תחזיות אחריות ומזהה חולשות ייצור מוקדם לפני פריסה בקנה מידה מלא.

ארגונים כגון FLT:0 ESA של שירותי מבחן ESA 1FIRLT 1 , לספק פרוטוקולים הסמכה עבור תהליכי ייצור גלגל התגובה, כולל הדרכה על בדיקות רטט הסמכה הסמכה.

פיתוח: Manufacturing Frontiers

תוכניות מחקר בתעשייה ובאקדמיה ממשיכות לדחוף את ביצועי הגלגל התגובה.

תאים היברידיים-Subtractive Cells

שילוב של אבקת לייזר עם 5 צירים מנקנים בכלי מכונה יחיד מאפשר בנייה בו זמנית ולסיים את הסימון. זה מקטין את זמן מחזור עבור חלקים מורכבים ומאפשר ייצור של רכיבים ליד-נט-שאפ עם מסימני פני השטח הדורשים לא עוד שחיקה.

ננודורות מתקפלים עבור Bearings

ציפויים רב-שכבות וננו-קומוטאיים (למשל, W-DLC, TiAlN/graphite) שהופקדו באמצעות שדה סגור ללא מאוזן של לכידת מגנטירון מראה פוטנציאל לצמצום החיכוך מתחת לזה של PFPE הנוכחי, אולי מאפשר חיים ארוכים יותר בוואקום ללא שכפול.

חומרים חכמים וגלגלים עצמיים

כתמים Piezoelectric מוטבעים ברוטב או דיור במהלך הייצור יכול לספק ניטור בריאות מתמשך, לזהות חוסר איזון בלתי אפשרי או ללבוש. Manufacture של אסיפות חכמות כגון דורש הטמעת חיישנים מבלי להפריע לאמינות מבנית, אתגר שפונה באמצעות עיצוב משותף וטכניקות קידוד חדשות.

מסקנה

המערכת האקולוגית של ייצור עבור גלגלי תגובה ביצועים גבוהים עוברת מהפכה שקטה. ייצור אדקטיבית, דימיון subtractive machining, ציפויים מתקדמים, ובקרת תהליכים אינטליגנטית מתמזגים כדי להניב גלגלים קלים, יציבים יותר, ומסוגלים לעמוד בדרישות החללית התובעניות ביותר להצביע.כפי שטכניקות אלה בוגרות והופכים להיות נגישים יותר לבנות לוויין קטנות יותר, המגזר לחלל כולו ירוויח מאמינות ועלויות נמוכות יותר ליחידה בתחום חקרית, הוא המשך, הוא תמיכה מדעית.