物質科学の進歩は、基本的には正確な宇宙船の態度制御のために不可欠である反応車輪の回転子の設計と性能を形作りました。高度の複合体および高性能の合金を利用することによって、エンジニアはより軽く、より耐久性があり、熱的に安定した回転子を、促進の寿命を拡張し、科学的および商業宇宙船の新しいクラスを可能にするようになりました。

反応ホイールロータの基礎

運営方針

反応車輪は、角度の運動量を保存することによって、宇宙船の向きを制御します。高速店の勢いで回転子。回転率を変えると、ニュートンの3番目の法律で宇宙船の角度速度が変化します。推力とは異なり、反応ホイールは精密で燃費のない態度調整を提供し、プロペラが制限される長期にわたるミッションにそれらを重要なものにします。

回転子のための材料の要求

回転子は、極端な遠心力、日光から影への急速な熱循環、および真空の下の操作を過給することなく耐えなければなりません。 主な材料特性は、高比の剛さ、低密度、優れた疲労抵抗、および永久的な変形を避けるために高い弾性限界を含みます。 熱伝導率は熱を散らすのに十分であり、熱膨張係数は、周囲の成分に応力を最小限に抑える必要があります。

歴史資料・制限事項

伝統金属

初期反応ホイールロータは、その強度と低コストのために、鋼合金から作られました。しかし、鋼の高密度限られたペイロード容量、および循環負荷の低減寿命の疲労に対する感受性。アルミニウム合金は、低重量を提供しましたが、クリープと不十分な剛性に苦しんでいる、高スピン速度で共鳴の問題を引き起こしました。

初期コンポジット

ガラス繊維強化ポリマーは、適度な重量を節約し、疲労の動作を改善しましたが、回転子が太くなり、質量不活性症を増加させ、効率を削減しなければならないという現代の材料と比較して、その低強度の比。さらに、湿気の吸収は時間をかけて性能を劣化させ、封印された宇宙船環境の問題を引き起こしました。

画期的な複合材料

カーボンファイバー強化ポリマー(CFRP)

カーボンファイバーコンポジットの採用により、回転子設計が革命を起こしました。エポキシ系CFRPシステムは、最大1.6g/cm3の密度で3,500MPaを超える張力強さを達成し、高強度鋼の強度から重量比4倍の強度までを発揮します。また、CFRPから製造された回転子も非常に高い特性です。繊維方向とレイアップシーケンスを調整することで、エンジニアは、振動方向の振動を最大にし、剛性を向上させる異方性特性を発揮します。

自動繊維の配置(AFP)および樹脂の移動の鋳造物(RTM)のような高度の製造業の技術は一貫した質を保障します。]はNASAによる最近の調査でアルミニウム同等物と比較してロータの固まりの40%の減少を、真空のテストの開始停止周期の幾千の後で測定可能な分解無しと示しました。外部の源:]NASAの高度の合成の研究。

セラミックマトリックスコンポジット(CMC)

日や高推圧操縦者、カーボン繊維強化炭化ケイ素(C/SiC)の複合体など、極端な熱環境で動作するリズナー用は、比類のない熱安定性を提供します。 CMCは、最大1,600°Cの温度で構造的完全性を維持し、金属やポリマーの限界を超えています。また、それらはまた、(])]の熱衝撃抵抗を展示し、それらが、排気速度の上昇と排気速度の上昇時に理想的なホイールを加熱する理想的なホイールを保ちます。

CMC回転子は、より高価な生産ですが、より高いスピン速度を処理する能力は、直接より大きなトルク容量に変換し、回転子の音量を増加させることなく、より速い態度補正を可能にします。

高パフォーマンス合金

チタン合金

チタン-6Al-4V は、ロータハブと適度な温度で高い強度が必要なコンポーネントのワークホースを残します。 4.4 g/cm3 の密度と鋼の耐食性の優れたチタン合金は、多くの場合、ハイブリッド設計で使用されます。チタンハブは、複合リムに結合しました。 最近の合金開発、Ti-10V-2Fe-3Al などの、起動時にエネルギー吸収のための延性を維持しながら、1,200 MPa の降伏強度を達成します。

ニッケル系スーパーアロイ

長期間の高温で作動しなければならない回転子のために、Inconel 718およびRené 41のようなニッケル ベースのスーパーロイは顕著なクリープの強さおよび酸化の抵抗を提供します。これらの材料は、通常急速な旋回能力を必要とする宇宙船で使用され、内部回転子の温度は600°Cを超えることができます。粉の冶金学および熱間圧搾(HIP)は欠陥のコストを最小に抑え、機械化および信頼性を改良する近くの網の回転子のブランクの生産を可能にします。

スーパーアロイの回転子に恩恵を受ける使命の一例は、寒冷の深い空間で長年の微細なポインティング安定性を維持するために、インコネルの回転子と反応ホイールを使用する[James Webb Space Telescope]です。 外部ソース:[]ESA James Webb概要。

製造業イノベーション

自動繊維の配置(AFP)

AFPロボットは、これまで不可能だった複雑な複合幾何学を生成し、炭素繊維を高速に動かすことができます。このプロセスは、繰り返し回転サイクルの下でマイクロクラックを最小限に抑えるために、1%未満のコンテンツが無効化し、重要な削減します。 AFPはまた、局所補強を可能にします。ボルト穴や軸受のインターフェイスで、全体的な質量を増加させることなく追加の層を追加します。

金属ロータの添加剤製造

選択的なレーザー溶融と電子ビーム溶融は、強度を維持しながら質量を減らす内部格子構造でチタンとスーパー合金回転子を生成します。 これらの技術は、最適化されたスポークの幾何学のような機械にあまりにも高価になる設計トポロジーを可能にします。 ハブに遠心負荷を直接する。 ]]添加された回転子は、製造された回転子が、NASの認定資格で同等の疲労寿命を実証しました、小型の調整装置を開口にしました。

宇宙船のパフォーマンスへの影響

  • ] 従来の設計と比較して30〜50%のマス削減は、より多くの質量をペイロード、燃料、または追加の機器にすることができます。
  • ミッション寿命を延ばしました:疲労抵抗と熱安定性の向上が、15年以上確実に作動し、深層空間ミッションに不可欠です。
  • ]高トルク密度:先進材料は、最大6,000 RPMまでのスピン速度を可能にし、車輪径を増加させることなくより速い態度応答を提供します。
  • バッテリー熱管理]: 調整された導電性スプレッド熱による複合体は、ベアリングの潤滑剤を劣化させるホットスポットを減らす。
  • 振動を低減:複合積層物の侵入による減衰は、ジッタを削減し、テレスコープや地球のイメージャなどの感度の高い光学機器に寄与する。

これらの改善は、[]]の、マルス・ローバーのコミュニケーションの正確なポイントを必要とするミッションで実現しました。国際宇宙ステーション[]]]は、制御の瞬間ジャイロ(バリアント)が同様のロータ材料に依存しています。 外部ソース:ISSジャイロスコープ研究]。

試験・試験

破壊へのスピンテスト

各新しい回転子材料と設計は、回転子が速度を破るために加速され、安全マージンを検証するためにスピンテストを受ける必要があります。高速カメラと株は、複合体のために、多くの場合、リムの周りに偏差を伴う欠陥モードをキャプチャします。これらのテストからのデータが有限要素モデルに戻って、次世代回転子のための予測能力を向上させます。

熱真空の循環

回転子は、低地球軌道の過酷な環境をシミュレートするために、真空下 -40°Cと+80°Cの間の数百サイクルの対象となります。 放出する揮発性化合物が光学やセンサーを汚染しないことを確認するために、排気速度を測定します。 この資格を渡す材料は、寿命試験のための完全な反応ホイールユニットに組み立てられます。

物質科学の未来の方向性

ナノ構造複合材料

カーボンナノチューブとグラフェンは、より高剛性と熱伝導性で複合体を作成するためにエポキシマトリックスに組み込まれています。 0.5%のグラフェンローディングの回転子は、重量のペナルティなしで弾性率の15%増加を示しています。 チャレンジはナノ粒子を均一に分散するままですが、パイロット生産ラインは小型衛星で活性です。

スマート材料

複合回転子に埋め込まれた圧電繊維は、外部制御ソフトウェアの必要性を減らす、リアルタイムで振動を積極的に低下させることができました。欧州宇宙庁のリサーチチームは、電圧信号を使用して、均衡の強制を対抗するプロトタイプスマート回転子をテストしています。セルフセンシング回転子は、例えば、マイクロクラック - などの過度の損傷を検出し、大惨事な故障を避けるためにスピン速度を調整する可能性があります。

自己治癒材料

治癒代理店(例えば、ジシクロペンタジエン)を含むマイクロカプセルは、回転子のマトリックスで分散することができます。 亀裂が形成されると、カプセルの破裂、重合および亀裂をシールする代理店を解放します。 この技術は、特にスペースでサービスされない回転機械のために、数十年ごとにロータの寿命を延ばすことができます。 早期ラボ実験は、損傷後の抗張強度の80%の回復を示し、内部検証は202727のために計画されています。

コンテンツ

炭素繊維複合材料、セラミックマトリックス複合材料、および先進合金の材料科学ブレークスルータ開発を変革しました。これらの革新は、質量を削減し、耐久性を高め、高性能を可能にし、宇宙船の広い範囲に直接利益をもたらします。ナノ構造化、スマート、および自己治癒材料への継続的な研究は、将来的なミッションを創出し、より深い宇宙プローブからメガコンステレーションまで、さらに、未来のミッションを加速し、これまで以上により高信頼性で実現します。