Tsiolkovsky roket denklemi, ilk olarak Rus öncü Konstantin Tsiolkovsky tarafından 1903 yılında elde edilen, astronotlardaki en önemli matematiksel ilişki olarak kalır.Bir uzay aracına doğrudan yüklediğine göre, daha hafif, daha güçlü ve daha dayanıklı malzemelerle ilgili olarak, daha hafif bir şekilde kurtarılan her kilogram, daha fazla yük, daha derin uzay misyonları için daha fazla yakıt, daha düşük maliyetlidir.

Rocket Equation in lips

Roket denklemi, genellikle [[Dönetici:0) ﴾48﴿[Dönetici][Dönetici:2)[Dönetici: 3 )[Dönetici: 4 )[Dönetici: 4 )[Düzücükler, bir uzay aracının toplam değişiminin (vardır)[değiştir | kaynağı değiştir] = · 1+

Malzeme ağırlıklarının neden önemli olduğunu görmek için basit bir görev düşünün: 300 saniyenin (tipik roketler için) bir uydu ihtiyacı var, ancak kuru kütlenin 900 kg'a kadar azaltılabilmesi için, pervanantın yaklaşık 1.500 kg'a ihtiyacı var.

Tarihsel olarak, roket denklemi, yük, aralık ve karmaşıklık arasındaki ticarete zorladı. Örneğin, Apollo Ay modülü, ince alüminyum derileri kullanarak minimum kütle yapısı ve karmaşık, hafif bir bilim çerçevesini kullanarak inşa edildi. Bugün, aynı mantık, uzak gezegenlerde yörüngeye giden gelişmiş kompozitlerin, metalik alaşımların gelişimini artırıyor ve seramik oranlarına göre küçük bir azalmaya yol açıyordu.

Uzay Tasarım Tasarımda Hafif Malzemeler için Imperative

Havacılık endüstrisi, kitlesel performans düşmanı olduğunu uzun zamandır kabul etti. roket denklemi bu düşmanı matematiksel hassasiyetle ölçtü. Kitlesel kesikli kütlenin ilk kütleye oranı - kritik bir tasarım parametresi. Tipik bir fırlatma aracı için, kütle kısmı hem de aşırı ışığa dayanacak kadar güçlü yapılar geliştirmek için, yani yüzde 85–% 90'ı ısıtabilir.

Ayrıca, hafif malzemeler güvenilir ve güvenlik için dolaylı olarak katkıda bulunur. Daha hafif bir uzay ve yaşam desteğinin başlatılabilir bir prime, hafif malzemeler, ascent sırasındaki başarısızlığın riskini azaltır. Ayrıca, gelişmiş alüminyum-lityon alaşımları ve aşınmaları için daha yüksek marj sağlar.

Modern Uzayda Anahtar Hafif Malzemeler

Bazı malzemeler sınıfları çağdaş uzay aracı tasarımında işhorları olarak ortaya çıktı, her biri mülklerin eşsiz bir dengesi sunuyor.Tek bir malzeme mükemmel değildir; seçim, misyonun özel gereksinimlerine bağlıdır - ısı, yük yolu, üretim kısıtlamaları ve maliyet.

Karbon-Fiber Betonlanmış Polimerler

Karbon fiber kompozitler belki de modern uydularda ve uzay aracında en çok hafif yapısal malzemedir. Düşük yoğunlukla yüksek vakumlu gücü birleştirir (yaklaşık 1.6 g/cm3 alüminyumun 2.7 g/cm3). Kompozitler, birçok küp ve büyük gözlemler için mükemmel bir şekilde ısıtılabilir. James Webb Space Teleskobunun güneş ışığına, Kapton ve karbon-fiber desteği yapısına sahip olabilir, ancak daha sonra tenis kortu için 163 kg değerindeki bir kütleye ulaşmak için dikkatli olabilir.

Alüminyum-Lithium Alloys

Alüminyum-lithium (Al-Li) alaşımları birçok fırlatma aracı ve uzay aracı birincil yapıları için seçim materyali haline geldi. Küçük bir lityum yüzdesi ekledi (tipik olarak 1–3), alaşımın yoğunluk ısıtılması, geleneksel alüminyum tanklara kıyasla% 2195'e kadar azalırken, bu alaşımlar daha iyi bir şekilde kırılabilir sertlikte sertliği ve daha iyi kırarsa, onları sıvı veya oksijen tutmalı tanklar için ideal kılar.

Ultra-Lightweight Seramikler ve Termal Koruma Sistemleri

Seramik malzemeler yüksek sıcaklık uygulamaları için önemlidir, çünkü hipersonik reentry araçlar veya termal koruma parçalarına dayanabiliyor. Uzay Yardımı'nın parçaları mükemmel termal yalıtım ve düşük kütle ile donatılmıştır, ancak etkiler nedeniyle zayıf ve zarar görebilirler. - 1,400 °C. Modern gelişmeler roketleri sert olmayan kimyasallarla takviye edilir ve aşırı ısıtılır.

İnce Filmler ve jeotermal Yapılar

Hafifleştirmenin bir başka yaklaşımı, Kapton, Mylar ve Kevlar gibi ince polimer filmlerini kullanmak. Echo uydu (1960), en az başlangıç hacmi olan 30 metre uzunluğundaki küçük bir çatıdaki kaplama alanı (BEAM) için kullanılan köpükler, güneş denizcileri oluşturmak ve kullanılabilir bir antenler oluşturmak için kullanılabilir bir miktar, sabit alüminyum modüle kıyasla yaklaşık% 20 tasarruf sağlamak için.

Mühendislik Meydanları ve Ticaret-

Hafif malzemeler sadece ince veya daha az yoğun şeyler yapmakla ilgili değildir. Uzay sanatı şiddetli bir şekilde başlatılma hızları, termal paketleme -200 °C'den gelen ısıtıcılar ve radyasyona maruz kalma, atomik oksijen ve vakumlama. Her malzeme seçimi, metallerin gücü, sertlik, ısınış, dışlanma, maliyet ve inşaat mühendislerinin rahatlığı, örneğin, karbon fiber kompozitler için ideal bir ısı genişletmeye, ancak onlar hipnoz için ideal hale getirebilirler.

Bir başka büyük meydan okuma, nanomalzemelerin veya gelişmiş seramiklerin üretimi etkileyici özellikler verebilir, ancak büyük, uçuş hazırlayıcı panellerde bunları büyük ölçüde çoğaltmak zor.Yazdıran bir üretim (3D baskı), geleneksel işleme ile ilgili endişeler ile devam eden bir süreçtir. NASA Inconel'den roket motoru parçaları yazdırdı, parçaları dökme parçalarına kıyasla% 50 kilo tasarruf ediyor.

Radyasyon hasarı başka bir endişedir. Bazı polimerler ve kompozitler uzay radyasyon ortamına uzun vadeli maruz kalma, güç kaybetme veya patlama kirleticilerine karşı koruma gerektirir. Galaktik kozmik ışınlarına karşı koruyucular yüksek hidrojen içeriği veya özel hidrojen zengin polimerler gibi) gelecekteki derin uzay habitatları için aktif olarak araştırılmışlardır.

Vaka Çalışmaları: Hafif Malzemeler Nasıl Kullanılabilir Misyonlar

James Webb Space Teleskobu

Noel Günü 2021'de başlatılan JWST, hafif bir mühendislik başyapıtıdır. birincil aynası, 6.5 metre çapında, 18 arınmış segmenti, her bir kapton ve kaplı silikon yoğunluğu için seçildi (1.85 g/cm3), yüksek spesifik bir sertlik ve mükemmel bir ısıtıcı ağarağı, tüm ayna sadece 625 kg ağırlığında - her türlü yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan Lavant hattı için izin verilen güneş koruyucusu.

Mars Bilim Laboratuvarı (Curiosity) ve Peracance Rovers

Mars, hayatta kalan yüksek giriş, iniş ve iniş (EDL) meydan okuma meydan okuması ile karşı karşıya kalır. Curiosity, öncelikle karbon-fiber kompozitleri ve titanyumu elde eden hafif bir "sky vinç" inme sistemi kullandı.

SpaceX Starship

Starship geliştirme programı, yüksek sıcaklık performansı ve çeliklerin yüksek orandaki ağırlığın yüksek olması nedeniyle, paslanmaz çelik alüminyum veya kompozit yapılardan daha az termal koruma gerektirir, çünkü çeliklerin yoğunluğu daha yüksek sıcaklıklara katılacaktır.

Future Frontiers: Nanomalzemeler, Metamalzemeler ve Katkı İmalatı

Önümüzdeki gibi, roket denklemi, mevcut herhangi bir malzemenin ötesinde teorik olarak, ancak üretim kusuru olmayan makroskobik çarşaflar, 10'un altındaki nanotüpleri aşağıdaki boşluklarda daha da güçlü bir şekilde ortaya çıkarabilir.

Metamalzemeler - doğada bulunmayan özelliklerle ilgili yapılar - batarya elektrotları ve etkili emiciler için metalik mikrolattik yapılar, mikrolitörlerin hasarlarını otonom olarak azaltabilecek, mikrometeoroid koruyucuları için ihtiyaç duyduklarını hala desteklerken, NASA bu malzemeler, batarya elektrotları ve etkili emicileri kullanarak mikrokapize eder.

Katkı üretimi (3D baskı) zaten, elektrik ve mikrogravity ortamının yeni malzeme işlemesine izin veren karmaşık şekillerin mümkün olmasını sağlayarak, daha iyi kontrol sorunları ve büyük yapıların baskısını azaltan alüminyum parçaları üretebilir.In-space üretim, 10 metre tank dome) özel tesisler gerektirir.

Biyomimetik malzemelere de ilgi var - MIT veENFLT gibi kurumlarda yapılan yapılar - bu kavramların yüksek özel gücü ve hasar toleransı vardır.Kömün mikroyapısını taklit eden Hierarchical tasarımları, MIT veurFLT gibi kurumlarda kompozit malzemelere yol açabilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

roket denklemi, bir yüzyıldan fazla, Tsiolkovsky ilk önce yazdığı gibi bugün ilgili olarak geçerlidir. Net bir matematiksel zorunluluk sağlar: Hafif malzemeler kozmetik lüks değildir; daha az maliyetlidir ve daha az maliyetlidir.

İnsanlık Ay'da kalıcı bir varlık üzerine yerleştirirken, Mars'a bir ekipli görev ve dış gezegenlere yapılan araştırmalar, yenilikçi hafif malzemelerin gelişimi daha önce göz ardı edilen bir polimerden veya henüz hayal edilmemiş bir teknolojiden gelecek. Ancak, kitle ve hız arasındaki temel ilişki, mühendisler ve malzemelerle birlikte dengelenmeye devam edecektir - tüm roket denklemleri olmayan kısıtlamalara yol açabilir.

Uzayda hafif malzemeler hakkında daha fazla okuma için, [[0]ESA) tarafından kaynaklanan kaynaklara bakınız:2).NASA Teknik Raporları).