Матеріалом науково-дослідних проривів є принципово реформування дизайну і продуктивності реагаторів коліс, які є важливим для точного управління ставленням космічних апаратів. За допомогою важільних розширених композитів і високопродуктивних сплавів інженери тепер доставляють ротори, які більш міцні, і термостійкі, розширення життєвих цілей і дозволяють нові класи науково-технічного космічних апаратів.

Основи оборотних колісних роторів

Принципи роботи

Контроль за регульованими колесами космічних апаратів, використовуючи збереження кутового імпульсу. Ротор обертається на максимальних швидкостях магазинів імпульсу, зміна частоти обертання змінюється кутова швидкість космічних апаратів через третій закон Ньютона. На відміну від тягарів, реагаційні колеса забезпечують точне, безпамне регулювання ставлення, що робить їх критичними для довгомірних місій, де пропелант обмежений.

Вимоги до матеріалів для роторів

Ротор повинен витримати екстремальні відцентрові сили, швидке теплове вело від сонячних променів до тіні, і експлуатація під вакуумом без вигасання. Основні властивості матеріалу включають високу специфічну жорсткість, низьку щільність, відмінну втомлювальну стійкість, а високий еластичний ліміт, щоб уникнути постійної деформації. Теплопровідність повинна бути достатня для розсіювання тепла, а коефіцієнт теплового розширення повинен відповідати навколишньому компоненту для мінімізації стресу.

Історичні матеріали та обмеження

Традиційні метали

Ранні реакції колісні ротори були виготовлені з сталевих сплавів завдяки їх міцності і низькій вартості. Однак, висока щільність сталі обмежена вантажопідйомністю, а також її схильність до втоми в циклічному навантаженнях зменшена термін служби. Алюмінієві сплави пропонують нижчу вагу, але постраждалі від creep і недостатньою жорсткістю, що призводить до резонансних питань при високих обертах.

Ранні Композиції

Склофіберні полімери, що забезпечують помірні вагові економії і поліпшену поведінку втоми, але їх менший коефіцієнт міцності в порівнянні з сучасними матеріалами, означають, що ротори повинні бути більш товстими, підвищуючи масову інерцію і зниження ефективності. Крім того, поглинання вологи деградується продуктивність з часом, проблема в герметичних умовах космічних апаратів.

Проривні матеріали

Полімери вуглецевого волокна (CFRP)

Прийняти вуглецевих волокон композити революційовані роторні конструкції. Епоксидні системи CFRP тепер досягають міцності на розрив, що перевищує 3,500 МПа з сховищеми тільки 1,6 г/см3, що забезпечує міцний коефіцієнт ваги чотири рази, що з високоміцної сталі. Ротори, виготовлені з CFRP, також дуже індивідуальні: шляхом регулювання фокусування волокон і послідовності укладання, інженери можуть створювати анізотропні властивості, які максимізують жорсткість в первинному напрямку навантаження, в той час як пошкодження коливань.

Сучасні технології виробництва, такі як автоматизоване розміщення волокон (AFP) та резина передача (RTM) забезпечують стабільну якість. Останнє дослідження НАСА показали зниження 40% у роторній масі порівняно з алюмінієвими еквівалентами], без механічної деградації після тисяч циклів старт-стопного вакуумування в вакуумному тестуванні. Зовнішні джерела: NASA передові композити дослідження.

Керамічні кладки (CMCs)

Для роторів, що працюють в екстремальних теплових середовищах, таких як ті, що поблизу Сонця або в високорослі маневри, вуглецево-фіберно-силіконовий карбід (C / SiC) пропонує непаралізовану термостійкість. ЦК зберігає структурну цілісність при температурі до 1600°C, далеко за межі металів або полімерів. Вони також експонуються excellent термостійкість], що робить їх ідеальними для реакційних коліс, що відчувають швидке нагрівання і охолодження під час перепадів екліпса.

В той час як ротори CMC є більш дорогими для виробництва, їх здатність обробляти більш високі швидкості обертання безпосередньо перекладається на більшу потужність крутного моменту, що дозволяє швидше корекція ставлення без збільшення об'єму ротора.

Високопродуктивні сплави

Титан сплави

Титан-6Al-4V залишається робочимгорсею для валів ротора і компонентів, де потрібна висока міцність при помірній температурі. З щільністю 4,4 г/см3 і корозійною стійкістю перевершують сталеві, титанові сплави часто використовуються в гібридних конструкціях: титановий хуб, що склеюється до композитного обіду. Останні сплави, такі як Ti-10V-2Fe-3Al, досягти міцності врожайності 1,200 МПа при підтримці продувності для поглинання енергії під час початку.

Nickel-Based Superalloys

Для роторів, які повинні працювати при високих температурах для тривалого періоду, суперлегії на основі нікель, як Inconel 718 і René 41 забезпечують видатну міцність creep і стійкість до окислення. Ці матеріали зазвичай використовуються в космічних апаратах, які вимагають швидкого спуску, де внутрішні температури ротора можуть перевищувати 600 ° C. Порошкові металургії і гарячі ізостатичні пресування (HIP) дозволяють виробляти близько-мережі роторні заготовки з мінімальними дефектами, поліпшення надійності і зменшення витрат на механічне підбір.

Прикладом місії, що вигідно від суперлего ротора є James Webb Space Telescope, який використовує реагувальні колеса з Inconel роторами для підтримки тонкої стійкості для років в холодному глибокому просторі. Зовнішні джерела: ESA James Webb огляд.

Виробництво інновацій

Автоматизоване волокно розміщення (AFP)

Роботи AFP можуть укладати вуглецеві волокна на високій швидкості, створюючи складні композитні геометереї, які раніше неможливі. Процес зменшує вміст неоїдів нижче 1%, критичний для мінімізації мікрокрешіту під повторними циклами хребта. AFP також дозволяє локальному армуванню — завантажуючи додаткові шари на болтах або несучих інтерфейсах без збільшення загальної маси.

Додавання виготовлення металоконструкцій

Вибрані лазерні плавлення та електрон пучки плавлення тепер виробляють титанові та суперлегі ротори з внутрішніми мережними структурами, які знижують масу при підтримці міцності. Ці техніки дозволяють проектувати топології, які будуть занадто дорогими до машини, такі як оптимізовані спиці геометереї, які прямі центрифугальні навантаження в концентратор. Добавно виготовлені ротори показали еквівалентне втомленнє життя, щоб ковані еквіваленти в кваліфікаційних випробуваннях НАСО, відкриваючи двері для виробництва користувальницьких роторів для маленьких супутників і сузір'я.

Вплив на продуктивність космічних апаратів

  • Mass remove 30–50% відносно конструкцій спадщини, що дозволяють більше масу для завантаження, палива або додаткових інструментів.
  • Подовжений термін служби]: поліпшення втомлювостійкості та термостійкості, що означає реакції колеса тепер працюють надійно протягом 15 років або більше, критично для глибоких просторових місій.
  • Висока щільність крутного моменту: розширені матеріали дозволяють швидко обертати швидкість до 6000 RPM, забезпечуючи більш швидке реагування на ставлення без збільшення діаметру коліс.
  • Будь термічний менеджмент]: композити з пошитою провідністю рівномірно розподіляють тепло, зменшуючи гарячі плями, які розширюють мастило в підшипниках.
  • Вибрані вібрації: властиві знешкодження в композитних ламінатах зменшує загартування, що сприяє чутливим оптичним інструментам, як телескопи і зображення Землі.

Ці удосконалення були реалізовані в місіях, починаючи від Mars rovers, які вимагають точних моментів для спілкування, до Міжнародний космічний вокзал], де контрольний момент гіросу ( варіант) спирається на аналогічні матеріали ротора. Зовнішній джерело: ISS gyroscope Research.

Тестування та кваліфікація

Тестування за допомогою спіну для виявлення

Кожен новий матеріал ротора і дизайн повинен пройти тести за допомогою вакуумних камер, де ротори прискорюються до швидкості розриву, щоб перевірити запаси безпеки. Високошвидкісні камери і датчики захоплення режимів несправності, які для композитів часто передбачають розшаровування навколо ріма. Дані з цих тестів подають в кінцеві моделі елемента, покращуючи передбачувану можливість для ротора наступного покоління.

Термо вакуумний велосипед

Ротори піддаються сотню циклів між -40 ° C і +80 ° C під вакуумом, щоб імітувати суворе середовище Низького Землі Орбіт. Вимірювання вимірювань вимірюється, щоб забезпечити, що будь-які воляційні сполуки, випущені не забруднені оптики або датчики. Матеріали, які проходять цю кваліфікацію, потім зібрані в повні блоки реакції для тестування життя, часто продовжуючи кілька років в наземних тестових клумбах.

Майбутні напрямки у матеріалах

Наноструктуровані композити

Нанотрубки вуглецю та графен введені в епоксидні матриці для створення композитів з більш високою жорсткістю та теплопровідністю. Ротор з 0,5% на завантаження графена показав 15% збільшення модуля без ваги. штрафні виклики залишаються в диспергуванні наночастинок рівномірно, але пілотні виробничі лінії тепер активні для малих супутників.

Розумні матеріали

П'єзоелектричні волокна, вбудовані в композитні ротори, можуть активно протирати вібрації в режимі реального часу, зменшуючи необхідність у роботі з зовнішнім програмним забезпеченням. Дослідницькі команди в Європейському космічному агентстві, є тестовими прототипами смарт-роликами, які використовують сигнал напруги для протидіяльних імпульсних сил. Самостійні ротори можуть також виявити інцизійні пошкодження—наприклад, мікрокраки— і регулювати швидкість обертання, щоб уникнути катастрофічної недостатності.

Самохідні матеріали

Мікрокапсули, що містять цілющі агенти (наприклад, діциклопентіаден) можуть бути дисперговані в матриці ротора. Коли тріщина утворює, капсули розривають, знімаючи агент, який полімелізує і ущільнює тріщину. Ця технологія може продовжити життя ротора за десятки років, особливо для обертального обладнання, яке не можна обслуговувати в космосі. Ранні лабораторні експерименти показують 80% відновлення сил на розрив після пошкодження, а в космосі валідація планується 2027.

Висновок

Матеріалом наукової роботи є розробка ротора реагаторів в вуглецевих волокнах, керамічних матриць, а передові сплави мають трансформовані реакції. Ці нововведення зменшують масу, підвищують міцність і дозволяють більш високу продуктивність, безпосередньо вигодовують широкий спектр космічних апаратів. Продовжені дослідження в наноструктуровані, смарт і самозбиральні матеріали обіцяє відштовхувати межі далі, роблячи майбутні місії - від глибоких просторових зон до мега-сзір'я - більш здатний і надійний, ніж будь-коли раніше.