Níže je uveden neupravený strojově čtený text této kapitoly, který má našim vlastním vyhledávačům a externím vyhledávačům poskytnout velmi bohatý, kapitolu reprezentující text každé knihy. Protože se jedná o NEZKOREKTOVANÝ materiál, považujte prosím následující text za užitečnou, ale nedostatečnou náhradu autoritativních stránek knihy.
sKonstrukce a materiály kosmických lodíZÁPIS A STATUSKonstrukce kosmických lodí – malé i velké – musí být vyrobeny z materiálů, které bez poruchy nebo nadměrné deformace odolávají statickému, dynamickému a tepelnému namáhání, k němuž dochází při startu, nasazení a provozu. Užitečné zatížení a pomocné vybavení musí být rovněž chráněno před nežádoucím zkreslením, vibracemi a teplotními změnami. příslušenství, jako jsou antény a reflektory, které jsou příliš velké na to, aby se vešly do kosmické lodi v její provozní konfiguraci, musí být během startu zabaleny ve složeném stavu a následně rozmístěny. Tyto konstrukční požadavky by měly být splněny v rámci směrnic pro podmínky hmotnosti, nákladů a spolehlivosti, které jsou vždy neoddělitelně spojeny a musí být přehodnoceny v kontextu filozofie malých kosmických lodí. Konstrukční hmotnost kosmické lodi v minulosti představovala pouze asi 20 % celkové suché hmotnosti. Úspora hmotnosti konstrukce však může nabýt zvýrazněného významu u mnoha misí malých kosmických lodí, kde je každý kilogram ušetřený z konstrukce cenný a může poskytnout zvýšenou kapacitu pro další užitečné zatížení, autonomní řídicí zařízení nebo pomocné vybavení. Tento důraz na nízkou hmotnost však může být zmírněn v některých aplikacích malých kosmických lodí, které zahrnují požadavky na nízké náklady, snadnou přizpůsobivost a možnost růstu.Ačkoli konstrukce kosmické lodi a materiál, z něhož je složena, jsou neoddělitelně propojené entity v jejich vlivu na náklady, pevnost, tuhost, hmotnost, spolehlivost a přizpůsobivost změnám, je nicméně vhodné diskutovat odděleně o otázkách, které lze považovat za převážně spadající buď do kategorie konstrukcí, nebo materiálů.V současné době u většiny malých kosmických lodí zajišťuje jednoduchá příhradová konstrukce primární odolnost proti statickému a dynamickému zatížení a ploché panely (často sendvičové konstrukce) nesou užitečné zatížení a související obsah kosmické lodi. Ačkoli se nezdá, že by optimalizaci konstrukčního uspořádání kosmické lodi byla věnována velká pozornost, budoucí mise budou vyžadovat účinnější návrh centrální konstrukce sběrnice. Naštěstí minulý42
výzkum konstrukcí a materiálů kosmických lodí a letové aplikace v letadlech a velkých kosmických autobusech zpřístupnily osvědčené, vysoce účinné konfigurace, jako jsou vyztužené skořepinové konstrukce a panely s výztuhami. Kromě konvenčních konstrukcí autobusů je na většině kosmických lodí, bez ohledu na jejich velikost, potřeba nasaditelných a speciálních konstrukcí. Stav těchto zdokonalených konstrukcí kosmických lodí je popsán níže. rozmístitelné konstrukcePro splnění svého úkolu může malá kosmická loď vyžadovat přídavné zařízení, jako je výložník nebo povrch, který je v poměru k velikosti kosmické lodi velmi velký. Takové doplňky musí být během startu zabaleny ve složeném stavu a následně rozmístěny před zahájením provozu. Minulé i současné kosmické lodě používaly různé kloubově nasaditelné konstrukce jako výložníky podpírající přístroje nebo přikrývky solárních článků nebo jako plošné konstrukce tvořící antény nebo solární pole. Některé z těchto rozmístitelných konstrukcí byly vyvinuty v 60. a počátkem 70. let 20. století pro použití na tehdejších malých kosmických lodích, ale v posledních dvou desetiletích byl pokročilý vývoj v NASA a DoD v oblasti rozmístitelných konstrukcí zaměřen téměř výhradně na velké antény a platformy, zejména ty, u nichž je dominantním požadavkem přesnost.Nicméně vyvinuté technologie mohou být užitečné pro malé kosmické lodě, zejména pokud je požadována vysoká přesnost. většina stávajících rozmístitelných konstrukcí je považována za spolehlivou pouze na základě důkladného testování opakovaným pozemním rozmístěním, které je komplikované a nákladné, protože je třeba čelit účinkům gravitace u konfigurací, které jsou určeny k provozu v beztížném kosmickém prostředí. I přesto však nedávné zkušenosti z letů zahrnovaly znepokojivý počet závad při nasazování. Levné malé kosmické lodě mohou vyžadovat nové a jednodušší spolehlivé konstrukce pro nasazení. Jedním z hlavních směrů současného vývojového úsilí je použití nafukovacích konstrukcí, které jsou pravděpodobně levnější a spolehlivější než kloubové konstrukce.Interakce řídicích a konstrukčních systémů a inteligentní konstrukceVěk interakce řídicích a konstrukčních systémů je v plném proudu a nastal jeho nástupce, inteligentní konstrukce2 . Tyto technologie mají zvláštní význam pro konstrukce malých kosmických lodí. Působení proti dynamickému zatěžovacímu prostředí během startupouhým poskytnutím dostatečně tuhého konstrukčního obalu nemusí mít u malých kosmických lodí smysl, pokud by aktivní potlačení vibrací mohlo dosáhnout požadované izolace43~ Interakce řídicích konstrukcí se týká vazby mezi posunydeformovatelných konstrukcí a výkonem řídicích systémů.2 Inteligentní konstrukce má senzory a aktuátory jako nedílné součásti spolu s řídicím počítačem, který je potřebný k aktivnímu řízení vibrací a tvaru.
44Technologie pro malé kosmické lodě(od dynamického namáhání a zrychlení) s nižší hmotností. Kromě toho po startu hraje důležitou roli při potlačování chvění interakce mezi řídicími konstrukcemi a inteligentním návrhem konstrukce Problém chvění může být u malých kosmických lodí ve skutečnosti zvýrazněn vlivem měřítka. Ačkoli většina současných malých kosmických lodí je navrhována bez použití interakce řídicích struktur a inteligentních struktur, tyto pokročilé techniky se stanou nezbytnými, jakmile se vědecké a jiné užitečné zatížení stane citlivějším a jakmile se požadavky na směrování a rozměrovou přesnost stanou přísnějšími.Experimentální inteligentní struktury vyvinuté NASA, DoD a jinde se skládají z vrstev kompozitních materiálů obsahujících piezoelektrické4 senzory a aktuátory pro řízení mechanického chování. Další možné technologie aktuátorů jsou založeny na tvarově paměťových materiálech (např. nitinol), elektrostrikčníchS a magnetostrikčních efektech6 a mikromotorech. Phillipsova laboratoř amerického letectva prokázala zvýšení tlumení konstrukce kosmické lodi o dva řády a poskytla na oběžné dráze ukázky použití vestavěných senzorů a aktuátorů pro aktivní i pasivní potlačení vibrací.MATERIÁLHliník je konvenčním materiálem pro letové konstrukce všech typů. Kromě toho nacházejí v letadlech a kosmických lodích značné uplatnění kompozitní materiály s grafitovými vlákny/polymerem a matnx, které mají mnohem vyšší poměr pevnosti k hustotě a tuhosti k hustotě, více v komerčních družicích než v kosmických lodích NASA a ještě méně ve vojenských kosmických lodích. U prvních malých kosmických lodí byla tendence používat výhradně hliník a vyhnout se domnělým dodatečným nákladům na pokročilejší materiály. Budoucí malé kosmické lodě s požadavky na vyšší výkon a nižší hmotnost budou nutně používat pokročilé materiály. Stav těchto kandidátských pokročilých materiálů je popsán níže.3 smetí jsou nepřijatelné vibrace vyvolané rušivými vlivy během kritických časových oken výkonu.4 Piezoelektrické zařízení podléhá vratné změně rozměrů při působení elektrické síly. Změna rozměru je závislá na polaritě Delhi.~ l, ~s Elektrostrikční efekt je vratná změna rozměru materiálu, když je materiál vystaven elektrickému poli. Směr rozměrové změny je nezávislý na polaritě elektrického pole.6 Magnetostrikční efekt je vratná rozměrová změna materiálu, když je materiál vystaven elektrickému nebo magnetickému poli.
Konstrukce a materiály kosmických lodíSlitiny hliníku a lithia Alternativou k použití běžných hliníkových slitin při konstrukci kosmických lodí, která šetří hmotnost, by mohlo být použití slitin hliníku a lithia. Nižší hustota slitin hliníku a lithia spolu s jejich poněkud vyšší tuhostí a u specifických slitin i vyšší pevností by mohly přinést okamžitou úsporu hmotnosti o 7 až 20 % bez nutných změn ve výrobě a konstrukci. Specifické slitiny hliníku s lithiem a hořčíku s hliníkem a lithiem navíc vykazují výrazně zvýšenou houževnatost při kryogenních teplotách, což je důležitá vlastnost pro palivové nádrže na kapalný kyslík a kapalný vodík.S ohledem na kosmické konstrukce mohou být tyto vlastnosti obzvláště důležité, protože selhání většiny konstrukcí bude spojeno s vybočením nebo napěťovými trhlinami. Na základě vzpěru a meze kluzu by zvýšení modulu pružnosti a meze kluzu nebo pevnosti v tahu mělo vést k odpovídajícímu snížení hmotnosti konstrukce. slitiny hliníku a lithia mohou poskytnout až o 12 % vyšší pružnou tuhost a v případě slitiny Alcoa 2090 zvýšení pevnosti v tahu o téměř 20 % oproti běžným slitinám hliníku, jako jsou 2219 a 2014. Kromě toho lze pro slitiny hliníku a lithia použít podobné techniky zpracování a výroby (např. obrábění, chemické frézování, obloukové svařování v plynu, tváření stříkáním atd.), jaké se používají pro konvenční slitiny. navíc studie (např. v General Dynamics a NASA) naznačují, že techniky pro nízkonákladové zpracování slitin hliníku a lithia téměř v čistém tvaru7 , které jsou ve vývoji, mohou vést k úspoře nákladů o 20 až 30 procent ve srovnání s integrálně obráběnými konstrukcemi. Ačkoli však nahrazení konvenčních slitin slitinami hliníku a lithia lze v podstatě dosáhnout bez přepracování konstrukce a několik slitin se začíná „letově testovat“ jako komerční součásti letadel, je třeba dbát na opatrnost při používání výkovků z některých slitin hliníku a lithia vzhledem k jejich nízké průřezové (krátkodobé příčné) houževnatosti.V současné době jsou k dispozici následující slitiny hliníku a lithia….Wel~a~ite_ je slitina hliníku a lithia vyvinutá společností Martin Marietta, která má vynikající svařovací vlastnosti, pevnost, houževnatost srovnatelnou s hliníkem a odolnost proti korozi pod napětím. Dvě variantyWeldalitu jsou slitiny Reynolds Metals 2195 a MD345. Slitina 2090 byla vyvinuta společností Alcoa jako náhrada konvenční slitiny7075-T6 a pro některé aplikace jako náhrada slitiny 2024-T3. Slitina 2090 má nejvyšší pevnost ze všech slitin hliníku a lithia.Slitina 8090 byla vyvinuta společností Alcan, má přibližně o 15 až 20 procent nižší pevnost než slitina 2090, ale lepší odolnost proti poškození a krátkodobou příčnou houževnatost (Venkateswara Rao a Ritchie, 19921.product.457 Téměř síťovým zpracováním vzniká díl, který vyžaduje jen malé opracování hotového
46Technologie pro malé kosmické loděSlitiny hliníku a lithia nebyly doposud použity v konstrukcích malých kosmických lodí, ačkoli se objevily v návrzích nosných raket.Kompozity s polymerní matricíV současných plánovaných programech malých kosmických lodí existuje trend krozsáhlému využívání kompozitů s organickou matricí v konstrukčních příhradových prvcích, v nádržích pohonných hmot (nebo jako překryvné obaly na kovových nádržích) a v plochých panelových! komponentech. Použitím kompozitů s polymerní matricí lze dosáhnout velmi významných úspor hmotnosti (možná 25 až SO procent) v konstrukci kosmické lodi. Otázku nákladů na tyto kompozity však nelze oddělit od inženýrského úsilí potřebného k vytvoření důvěry v jejich použití, které se liší v závislosti na odborných znalostech, jimiž jednotlivé agentury a společnosti disponují. Nicméně celková úroveň nashromážděných zkušeností s navrhováním kompozitů ve Spojených státech, zejména v leteckém průmyslu a ve velkém. .a. – , , ~ ~ ~ ~ ~ – ~ ~ , , , – ~ at, ~ hlavních dodavatelů kosmických lodí, by měla být dostatečně vysoká, aby vyvrátila zbytkové tendence kpřijímání hmotnostních sankcí spojených s návrhy založenými na výhradním použitíkonvenčních hliníkových slitin. Odhady průmyslu dále naznačují, že náklady na grafitové epoxidové nebo podobné kompozitní materiály mohou být v dlouhodobém horizontu skutečně nižší než náklady na monolitické kovy při stejném použití. Ačkoli kompozity s polymerní matricí podléhají degradačním účinkům kosmického prostředí, které je třeba vzít v úvahu, zatím nic nenasvědčuje tomu, že by jejich konstrukční vlastnosti byly vážně ohroženy tří- až pětiletou expozicí, která se v současnosti uvažuje pro většinu malých kosmických lodí. Několik dodavatelů a vládních laboratoří, včetně společností SpaceSystems/Loral, Lockheed Missiles and Space Company, Martin Marietta Astro Space a Lawrence Livermore National Laboratory, vyvíjí techniky pro hospodárnou výrobu kompozitních konstrukcí pro kosmické lodě.Nejčastěji používaným kompozitem s polymerní matricí pro primární konstrukce kosmických lodí je grafitový epoxid. Konstrukční formy, jako jsou trubky, lze získat za různé ceny od několika komerčních dodavatelů, kteří sahají od výrobců hřídelí golfových holí až po hlavní dodavatele pro kosmonautiku. Dalšími dobře používanými kompozitními vlákny s polymerní matricí jsou sklo a keviar,_ které se zpracovávají podobně jako grafitová vlákna. Skelná vlákna, zejména varianta S-skla, mohou být bez poškození vystavena 3% deformaci a jsou užitečná pro aplikace vyžadující velkou deformační schopnost, ale jejich pevnost a tuhost je nevýrazná. Naproti tomu keviarová vlákna mají vysokou specifickou pevnost v tahu a tuhost a jsou užitečná tam, kde jde o elektrické nebo dielektrické vlastnosti. KevIar má však relativně nízkou pevnost v tlaku.Kompozity kov-MairLxKompozity s kovovou matricí se stávají dostupnými s možnými aplikacemi pro rámy a součásti kosmických lodí. Jako materiály pro rámy kosmických lodí mohou hliníkové slitiny vyztužené částicemi nebo vlákny karbidu křemíku, oxidu hlinitého nebo boru nabídnout
Konstrukce a materiály kosmických lodí výhodu zvýšené tuhosti a pevnosti; tyto materiály však mohou být řádově dražší než konvenční hliníkové slitiny a mají určité nevýhody mechanických vlastností (např. slitiny vyztužené částicemi vykazovaly až donedávna špatnou tažnost a houževnatost). Kromě toho mohou specifické kompozity s kovovou matricí, jako jsou hořčíkové slitiny vyztužené grafitem, nabízet zvýšenou tuhost při koeficientech tepelné roztažnosti (pro rozměrovou stabilitu) srovnatelných s kompozity s grafitovou pryskyřicí. Takové kompozity s kovovou matricí mohou být navrženy s přizpůsobenými fyzikálními a mechanickými vlastnostmi a nemají odplynovací charakteristiku grafitového epoxidu.NASA zvažuje kompozity s bórovou a hliníkovou me~ matricí pro vybrané aplikace v primárních konstrukcích pro své kosmické dopravní prostředky a slitiny křemíku, karbidu a hliníku pro kryogenní nádrže. Kompozity titanu a titanové matrice jsou obecně použitelné pro prostředí s vyšší teplotou. Například slitina Timetal 2IS vyztužená karbidem křemíku je použitelná při teplotách do 800 °C a má vynikající odolnost proti korozi a oxidaci při zvýšených teplotách.Kompozity s kovovou matricí našly uplatnění také jako lehké, pevné a vysoce vodivé materiály pro vysokoteplotní systémy tepelného managementu. Například společnost Rockwell vyvinula kompozity s měděnou matricí s vláknovou výztuží z grafitu, molybdenu nebo wolframu pro aktivně chlazené struktury v hypersonických letadlech a raketových tryskách a v žebrech chladičů pro kosmické energetické systémy. Tyto kompozity jsou stabilní při vysokých tepelných tocích a v aplikacích s tepelnými cykly a ve srovnání s konvenčními vodivými slitinami nabízejí lepší odolnost proti skřípání. Společnost Fairchild Space andDefense Corporation pracuje na elektroemisivních panelech pro tepelné řízení malých kosmických lodí.Kompozity uhlík-uhlíkKompozity uhlík-uhlík se obecně používají v aplikacích vyžadujících extrémní teploty, obvykle do přibližně 1650 °C. V kombinaci s aktivním chlazením je lze použít pro náběžné hrany přídě, křídel a ocasních ploch letadel vystavených teplotám až 3300 °C. Například pro letoun National Aerospace Plane se kompozity uhlík-uhlík používaly jako tenké panely mechanicky připevněné k podkladové kompozitní konstrukci z titanu a matr~xu nad částmi trupu. Navzdory své velmi vysoké tepelné odolnosti jsou však kompozity uhlík-uhlík velmi náchylné k oxidaci; v letadle National Aerospace Plane musely být chráněny tenkými vícevrstvými povlaky karbidu křemíku. Pro kosmické lodě mohou kompozity uhlík-uhlík nabídnout výrazné zkrácení času a nákladů na výrobu konstrukcí díky rychlým procesům zpevnění. NASA vyvíjí techniky kontinuálního a dávkového zpracování pro trubkové rámy kosmických lodí z uhlíku a přesné panely reflektorů, antén, zářičů a aerodynamických brzd s vhodnými tepelnými, reflexními a zářivými povlaky.47
48Technologie pro malé kosmické loděSTRUKTURY/MATERIÁLOVÉ SYSTÉMYVýzvou pro nápadité konstruktéry v éře malých kosmických lodí bude spojit technologie pokročilých materiálů, struktur, rozmístitelných přídavných zařízení a interakce řídicích a kontrolních struktur do malých a levných konfigurací. Existuje velké množství technologií konstrukcí a materiálů, které se vztahují k letadlům a velkým kosmickým lodím (a malým kosmickým lodím prvních desetiletí vesmíru) a které mohou být užitečným odrazovým můstkem pro konstrukci současných a budoucích malých kosmických lodí, ale v různých technických oblastech a jejich syntéze existuje široká škála potřeb pro další výzkum a vývoj. Výše zmíněné nahrazení slitin hliníku a lithia hliníkem v tradičních konstrukcích z kovu by přineslo okamžité, i když skromné úspory hmotnosti. Současná znalostní základna pro výrobu a konstrukci kompozitních materiálů, zejména kompozitů s polymerní matricí, však musí být nejen důkladně vstřebána, ale možná bude muset být podstatně rozšířena vznikající komunitou malých kosmických lodí, aby byly splněny požadavky na nízké náklady a také příslib nízké hmotnosti.Kompozitní materiály a komponenty výslovně konfigurované tak, aby splňovaly více požadavků (například požadavky na pevnost a tepelnou vodivost), jednoznačně nabízejí prostor pro úsporu hmotnosti. Návrh jednoduchých, spolehlivých a levných spojů a upevnění nekompozitních konstrukcí je problémem konstrukčních/materiálových systémů, který nikdy nezmizí, stejně jako související požadavek na snadnou modifikaci konstrukce a výroby pro přizpůsobení nepředvídatelným (ale nevyhnutelným) změnám v konfiguracích payloac! Ačkoli některé existujícíkoncepty a technologie pro kompaktní skladování a spolehlivé umístění přídavných zařízení mohou být i nadále použitelné pro malé kosmické lodě, existuje v této oblasti značný potenciál pro nové vynálezy a vývoj vzhledem k nevyhnutelnému rozporu mezi malostí konstrukce a žádoucími velkými přídavnými zařízeními. A konečně, na pozadí rozsáhlého stávajícího teoretického a laboratorního výzkumu, ale s malou dostupnou letovou zkušeností, se budou muset konstruktéři malých kosmických lodí intenzivně zabývat nově vznikajícími technologiemi interakce řídicích konstrukcí a inteligentních konstrukcí a jejich zajímavými přísliby, včetně jejich integrace do celkového systému kosmické lodi jako prvků snižujících náklady a hmotnost.ZJIŠTĚNÍ A PRIORITNÍ DOPORUČENÍNASA má potenciálně důležitou roli při tvorbě, zdokonalování a aplikaci technologií konstrukcí a materiálů pro malé kosmické lodě, a to jak ve své tradiční roli agentury pro hraniční. generic enaineerina-science research~…..,O..~ Orocu sea na konkrétní relevantní témata, tak i jako lídr Ve společných projektech s průmyslemzaměřených na demonstraci návrhu, výroby a nasazení vysoce výkonných,spolehlivých a přizpůsobivých malých kosmických lodí v souladu s hlavními zásadami nízkých nákladů a nízké hmotnosti. Jako vždy je nezbytné dbát na to, aby se tyto činnosti vzájemně podporovaly.
Konstrukce a materiály kosmických lodíNásledující výslovná doporučení pro činnost NASA jsou uvedena v pořadí priorit, které odráží integrovaný úsudek panelu} pro technologie malých kosmických lodí, po zvážení stavu vývoje nových technologií a potenciálních přínosů, které lze rozumně očekávat.I. Měl by být zdůrazněn výzkum jednoduchých, nízkonákladových nasaditelných výložníků a povrchů. Mezi cíle by měla patřit vysoká spolehlivost nasazení, kompaktní uložení a přiměřená přesnost. Zásadní je prokázání úspěšného nasazení ve vesmíru při pozemních zkouškách.2. Měl by být zahájen společný program NASA a průmyslu, který by demonstroval vývoj pokročilých konstrukcí malých kosmických lodí, které jsou založeny na polymerních kompozitních komponentech a využívají dostupné i nové technologie, pokud je to vhodné pro splnění náročných požadavků na nízké náklady, nízkou hmotnost, spolehlivost a přizpůsobivost. Tento cíl může splnit technologická iniciativa NASAS pro malé kosmické lodě.3. V koordinaci s probíhajícím výzkumem na univerzitách a v dalších vládních agenturách by se mělo zintenzivnit výzkumné úsilí v oblasti inteligentních struktur a interakce mezi řízením a konstrukcemi. Výzkum by měl mít jak obecný charakter, tak by měl být zaměřen na specifické potřeby malých kosmických lodí.4. Měl by být zahájen krátkodobý demonstrační program s průmyslem, jehož cílem by bylo navrhnout, zkonstruovat a kvalifikovat konstrukci malé kosmické lodi založenou především na současných konstrukčních konfiguracích, které využívají slitiny hliníku a lithia namísto hliníku, aby se zjistila proveditelnost rychlé úspory hmotnosti při minimálním úsilí a nákladech.5. Výzkum by se měl zaměřit na specifické potřeby malých kosmických lodí.V rámci NASA by měly být udržovány dostatečné odborné znalosti v oblasti technologie kompozitů s polymerní matricí, aby bylo možné identifikovat a realizovat příležitosti pro výzkum zaměřený na zlepšení pevnosti, tuhosti, tepelných vlastností a hospodárnosti výroby, přičemž by měla být věnována zvláštní pozornost možnostem víceúčelových součástí a konstrukci modulárních přídavných zařízení a spojů.49
.