Nedenfor er den ukorrigerede maskinlæsningstekst af dette kapitel, som er beregnet til at give vores egne søgemaskiner og eksterne maskiner en meget fyldig, kapitelrepræsentativ søgbar tekst af hver bog. Da der er tale om ukorrigeret materiale, bedes du betragte den følgende tekst som en nyttig, men utilstrækkelig erstatning for de autoritative bogsider.
sRumfartøjers strukturer og materialerBAGGRUND OG STATUSRumfartøjers strukturer – små som store – skal være fremstillet af materialer, der uden svigt eller overdreven forvrængning modstår de statiske, dynamiske og termiske belastninger, der opstår under opsendelse, udrulning og drift. Nyttelast og supplerende udstyr skal også beskyttes mod uønsket forvrængning, vibrationer og temperaturændringer.Tilbehør som f.eks. antenner og reflektorer, der er for store til at passe ind i rumfartøjet i deres operationelle konfigurationer, skal pakkes i sammenklappet tilstand under opsendelsen og efterfølgende udfoldes. Disse designkrav skal opfyldes inden for rammerne af retningslinjerne for vægt, omkostninger og pålidelighed, som altid er uløseligt forbundet og skal revurderes i forbindelse med filosofien om små rumfartøjer. Rumfartøjers strukturelle vægt har historisk set kun udgjort ca. 20 % af den samlede tørvægt. Imidlertid kan strukturelle vægtbesparelser få særlig stor betydning for mange små rumfartøjer, hvor hvert kilo, der spares fra strukturen, er værdifuldt og kan give øget kapacitet til yderligere nyttelast, autonome kontrolanordninger eller hjælpeudstyr. Selv om rumfartøjets struktur og det materiale, som det er sammensat af, er uløseligt forbundne enheder med hensyn til deres indflydelse på omkostninger, styrke, stivhed, vægt, pålidelighed og tilpasningsevne over for ændringer, er det ikke desto mindre hensigtsmæssigt at drøfte spørgsmål, der kan betragtes som værende overvejende inden for enten struktur- eller materialekategorien, særskilt.STRUKTURER I de fleste små rumfartøjer er det i øjeblikket en simpel spærstruktur, der yder den primære modstand mod statiske og dynamiske belastninger, og flade paneler (ofte af sandwichkonstruktion), der bærer nyttelasten og det tilhørende rumfartøjsindhold. Selv om det ikke ser ud til, at man har været særlig opmærksom på at optimere rumfartøjets strukturelle konfiguration, vil fremtidige missioner kræve en mere effektiv udformning af den centrale busstruktur. Heldigvis har tidligere42
Spacecraft Structures and Materialsforskning og flyveanvendelse i flyvemaskiner og store rumbusser gjort det muligt at anvende gennemprøvede, højeffektive konfigurationer som f.eks. stivede skalstrukturer og hudforstærkende paneler. Ud over de konventionelle busstrukturer er der behov for udrullelige strukturer og specialkonstruktioner til særlige formål på de fleste rumfartøjer, uanset deres størrelse. Status for disse forbedrede rumfartøjskonstruktioner gennemgås nedenfor.UdrulningsstrukturerFor at kunne udføre sin mission kan et lille rumfartøj have brug for et tilbehør, f.eks. en bom eller en overflade, der er meget stor i forhold til rumfartøjets størrelse. Sådanne redskaber skal pakkes sammen i sammenklappet tilstand under opsendelsen og efterfølgende udfoldes før operationen. Tidligere og nuværende rumfartøjer har anvendt en række forskellige leddelte, udrulningsbare strukturer som bomme, der bærer instrumenter eller solcelletæpper, eller som arealstrukturer, der danner antenner eller solcellefelter. Nogle af disse udlejbare strukturer blev udviklet i 1960’erne og begyndelsen af 1970’erne til brug på de små rumfartøjer fra den tid, men i de sidste to årtier har NASA’s og Forsvarsministeriets avancerede udvikling af udlejbare strukturer næsten udelukkende været rettet mod store antenner og platforme, især dem, hvor præcision er et dominerende krav.Ikke desto mindre kan de udviklede teknologier være nyttige for små rumfartøjer, især hvis der kræves høj nøjagtighed.De fleste eksisterende udlejningsstrukturer anses kun for at være pålidelige i kraft af, at de er blevet grundigt afprøvet ved gentagne udlejninger på jorden, hvilket er kompliceret og dyrt på grund af behovet for at modvirke tyngdekraftens virkninger på konfigurationer, der er beregnet til at fungere i det tyngdefri rummiljø. Alligevel har de seneste erfaringer med flyvninger givet anledning til et foruroligende antal problemer med opstillingen. Billige små rumfartøjer kan kræve nye og enklere, pålidelige og pålidelige konstruktioner, der kan udrulles. En af de nuværende udviklingsbestræbelser omfatter anvendelse af oppustelige fartøjer, som muligvis er billigere og mere pålidelige end leddelte strukturer.Samspil mellem kontrolstrukturer og intelligente strukturerSamspillet mellem kontrolstrukturer er godt i gang, og dets efterfølger, de intelligente strukturer2 , er på vej ind i en ny tidsalder. Disse teknologier har særlig relevans for konstruktionen af små rumfartøjer. At modvirke det dynamiske belastningsmiljø under opsendelsen ved hjælp af tilstrækkelig stiv strukturel indpakning alene giver måske ikke mening i et lille rumfartøj, hvis aktiv vibrationsundertrykkelse kan opnå den nødvendige isolering43~ Interaktion mellem kontrolstrukturer henviser til koblingen mellem de deformerbare strukturers forskydninger og kontrolsystemernes ydeevne.2 En intelligent struktur har sensorer og aktuatorer som integrerede dele sammen med en kontrolcomputer, som er nødvendig for aktivt at kontrollere vibrationer og form.
44 Teknologi til små rumfartøjer (fra dynamisk stress og acceleration) med lavere masse. Efter opsendelsen spiller samspillet mellem kontrolstrukturer og smart strukturdesign desuden en vigtig rolle i undertrykkelsen af jittery Problemet med jitter kan faktisk blive forstærket i små rumfartøjer på grund af stordriftsvirkningerne. Selv om de fleste af de nuværende små rumfartøjer konstrueres uden brug af interaktion mellem kontrolstrukturer og intelligente strukturer, vil disse avancerede teknikker blive afgørende, efterhånden som videnskabelige og andre nyttelaster bliver mere følsomme, og efterhånden som kravene til pegning og dimensionel præcision bliver strengere.Eksperimentelle intelligente strukturer, der er udviklet af NASA, Forsvarsministeriet og andre steder, består af kompositmaterialelag, der indeholder piezoelektriske4 sensorer og aktuatorer til at kontrollere den mekaniske adfærd. Andre mulige aktuatorteknologier er baseret på materialer med formhukommelse (f.eks. nitinol), elektrostriktiveS og magnetostriktive effekter6 og elektromotorer. U.S. Air Force Phillips Laboratory har påvist en forøgelse af rumfartøjers strukturelle dæmpning med to størrelsesordener og har givet demonstrationer i kredsløb af brugen af indlejrede sensorer og aktuatorer til både aktiv og passiv vibrationsdæmpning.MATERIALERAluminium er det konventionelle materiale til flystrukturer af alle typer. Desuden anvendes grafitfiber/polymer-matnx-kompositmaterialer med meget højere styrke/densitetsforhold og stivhed/densitetsforhold i fly og rumfartøjer, men i højere grad i kommercielle satellitter end i NASA-rumfartøjer og endnu mindre i militære rumfartøjer. I de tidlige små rumfartøjer har tendensen været at anvende udelukkende aluminium for at undgå de ekstraomkostninger, som mere avancerede materialer giver anledning til. Fremtidige små rumfartøjer med krav om højere ydeevne og lavere vægt vil nødvendigvis anvende de avancerede materialer. Status for disse avancerede kandidatmaterialer er beskrevet nedenfor.3 Strøet er de uacceptable forstyrrelsesinducerede vibrationer i kritiske tidsvinduer for ydeevne.4 En piezoelektrisk anordning undergår en reversibel ændring i dimensionen, når der påføres en elektrisk kraft. Ændringen i dimension er afhængig af Delhi’s polaritet.~ l, ~s En elektrostrisk effekt er en reversibel dimensionsændring i et materiale, når materialet udsættes for et elektrisk felt. Retningen af dimensionsændringen er uafhængig af polariteten af det elektriske felt.6 En magnetostriktiv effekt er en reversibel dimensionsændring i et materiale, når materialet udsættes for elektriske eller magnetiske felter.
Rumfartøjsstrukturer og -materialerAluminium-LithiumlegeringerEt vægtbesparende alternativ til brugen af konventionelle aluminiumslegeringer i rumfartøjer kunne være brugen af aluminium-lithiumlegeringer. Den lavere massefylde af aluminium-litiumlegeringer kombineret med deres noget større stivhed og, i bestemte legeringer, højere styrke kunne give øjeblikkelige vægtbesparelser på 7 til 20 % med få nødvendige ændringer i fremstilling og design. Desuden udviser specifikke aluminium-lithium- ogmagnesium-aluminium-lithiumlegeringer en markant øget sejhed ved kryogentemperaturer, hvilket er en vigtig egenskab for tanke til flydende ilt og flydende brintbrændstof.Med hensyn til rumkonstruktioner kan disse egenskaber være særlig vigtige, da svigt i de fleste konstruktioner vil være forbundet med bukling eller brud på grund af spændinger. Baseret på bukkestyrke og flydespænding bør en forøgelse af elasticitetsmodulet og flydespænding eller trækstyrke medføre et tilsvarende fald i strukturens vægt. aluminium-litiumlegeringer kan give op til 12 % højere elastisk stivhed og, i tilfældet med Alcoa-legering 2090, en stigning på næsten 20 % i trækstyrke i forhold til konventionelle aluminiumslegeringer som 2219 og 2014. Desuden kan der for aluminium-litiumlegeringer anvendes forarbejdnings- og fremstillingsteknikker (f.eks. maskinbearbejdning, kemisk fræsning, gas-tungstenbue-svejsning, formning ved hjælp af kuglepen osv.) svarende til dem, der anvendes til konventionelle legeringer. desuden tyder undersøgelser (f.eks. hos General Dynamics og NASA) på, at teknikker til billig, næsten netformsbearbejdning7 af aluminium-litiumlegeringer, som er under udvikling, kan føre til omkostningsbesparelser på 20-30 % sammenlignet med integralbearbejdede strukturer. Men selv om substitution af konventionelle legeringer med aluminiums-litiumlegeringer stort set kan ske uden omkonstruktion, og flere legeringer er ved at blive “flyveafprøvet” som komponenter til kommercielle fly, skal der udvises forsigtighed med brugen af smedegods af visse aluminiums-litiumlegeringer på grund af deres lave sejhed i gennemgående tykkelse (kort tværgående).Følgende aluminiums-litiumlegeringer er i øjeblikket tilgængelige….Wel~a~ite_ er en aluminiums-litiumlegering, der er udviklet af Martin Marietta, og som har fremragende svejseegenskaber, styrke, sammenlignelig hårdhed med aluminium og modstandsdygtighed over for spændingskorrosion. To varianter af weldalite er Reynolds Metals legeringer 2195 og MD345.Legering 2090 blev udviklet af Alcoa til at erstatte den konventionelle legering 7075-T6 og til visse anvendelser til at erstatte legering 2024-T3. Legering 2090 har den højeste styrke af alle aluminium-lithiumlegeringer.Legering 8090 blev udviklet af Alcan, med ca. 15 til 20 procent lavere styrke end legering 2090, men forbedret skadetolerance og kortvarigt tværgående sejhed (Venkateswara Rao og Ritchie, 19921.product.457). Næsten netformsbearbejdning giver en del, der kun kræver lidt bearbejdning af det færdige produkt.5964>
46 Teknologi til små rumfartøjerTil dato er aluminium-litiumlegeringer ikke blevet anvendt i små rumfartøjers strukturer, selv om de har været anvendt i løftefartøjsdesigns.Polymer-matrixkompositterI de nuværende planlagte programmer for små rumfartøjer er der en tendens til en betydelig udnyttelse af organiske matrixkompositter i strukturelle spærelementer, i drivstoftanke (eller som omslag på metaltanke) og i flade ruder! komponenter. Der kan opnås betydelige vægtbesparelser (måske 25 til SO procent) i rumfartøjets struktur ved at anvende polymer-matrixkompositter. Spørgsmålet om omkostningerne ved sådanne kompositmaterialer kan imidlertid ikke adskilles fra den tekniske indsats, der er nødvendig for at skabe tillid til deres anvendelse, og som varierer afhængigt af den ekspertise, som de enkelte agenturer og virksomheder har til rådighed. Ikke desto mindre er den samlede erfaring med design af kompositmaterialer i USA, især i flyindustrien og i store virksomheder, meget stor. .a. – , , , , ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ , , , , – ~ ~ at, ~ rumfartøjer, bør være tilstrækkelig stor til at modvirke de resterende tendenser til at acceptere de vægtfordelinger, der er forbundet med konstruktioner, der udelukkende er baseret på brug af konventionelle aluminiumslegeringer. Endvidere tyder industriens skøn på, at omkostningerne ved grafitepoxy eller lignende kompositmaterialer i det lange løb faktisk kan være lavere end omkostningerne ved monolitiske metaller i samme anvendelsesformål. Selv om polymer-matrixkompositter er udsat for nedbrydningseffekter i rummiljøet, som skal tages i betragtning, er der indtil videre ingen tegn på, at deres strukturelle ydeevne vil blive alvorligt truet af de tre til fem års eksponering, som i øjeblikket er påtænkt for de fleste små rumfartøjers missioner. Flere entreprenører og statslige laboratorier, herunder SpaceSystems/Loral, Lockheed Missiles and Space Company, Martin Marietta Astro Space og Lawrence Livermore National Laboratory, er i færd med at udvikle teknikker til økonomisk produktion af kompositstrukturer til rumfartøjer. Strukturelle former, f.eks. rør, kan fås til forskellige omkostninger hos flere kommercielle leverandører, der spænder fra producenter af golfklubskafter til hovedleverandører inden for rumfart. Andre velanvendte polymer-matrixkompositfibre er glas og Keviar, som behandles på samme måde som grafitfibre. Glasfiber, især S-glasvarianten, kan udsættes for 3 % belastning uden at tage skade og er nyttig til anvendelser, der kræver stor belastningsevne, men dens styrke og stivhed er ualmindelig ringe. Keviarfibre har på den anden side en høj specifik trækstyrke og stivhed og er nyttige, når det drejer sig om elektriske eller dielektriske egenskaber. KevIar har imidlertid en relativt lav trykstyrke.Metal-MairLx-kompositterMetal-matrix-kompositter er ved at blive tilgængelige med mulige anvendelser til rumfartøjsrammer og -komponenter. Som rammematerialer til rumfartøjer kan aluminiumslegeringer, der er forstærket med siliciumcarbid-, aluminiumoxid- eller borpartikler eller -fibre, tilbyde fordele som øget stivhed og styrke; disse materialer kan imidlertid være en størrelsesorden dyrere end konventionelle aluminiumslegeringer og har visse ulemper med hensyn til mekaniske egenskaber (f.eks. har de partikelforstærkede legeringer indtil for nylig vist ringe duktilitet og sejhed). Desuden kan specifikke metal-matrixkompositter, f.eks. grafitforstærkede magnesiumlegeringer, give øget stivhed ved termiske udvidelseskoefficienter (med henblik på dimensionsstabilitet), der kan sammenlignes med dem for grafit-harpstofkompositter. Sådanne metal-matrixkompositter kan konstrueres med skræddersyede fysiske og mekaniske egenskaber og har ikke den udgasning, der er karakteristisk for grafit-epoxy.NASA overvejer bor-aluminium-matrixkompositter til udvalgte anvendelser i primære strukturer til dens rumfartøjer og silicium-carbid-partikulære aluminiumslegeringer til kryogentanke. Titanium og titan-matrixkompositter er generelt anvendelige i miljøer med højere temperaturer. F.eks. er den siliciumcarbidforstærkede Timetal 2IS-legering anvendelig ved temperaturer på op til 800 °C og har en fremragende modstandsdygtighed over for korrosion og oxidation ved forhøjede temperaturer.Metal-matrixkompositter har også fundet anvendelse som lette, stærke og stærkt ledende materialer til varmestyringssystemer ved høje temperaturer. Rockwell har f.eks. udviklet kobber-matrixkompositter med fiberforstærkninger af grafit, molybdæn eller wolfram til aktivt afkølede strukturer i hypersoniske fly og raketdyser og i radiatorfinner til rumkraftsystemer. Disse kompositter er stabile ved høj varmestrøm og ved termiske cykliske anvendelser, og de giver bedre modstandsdygtighed over for krybning sammenlignet med konventionelle ledende legeringer. Fairchild Space and Defense Corporation arbejder på elektro-emitterende paneler til termisk styring af små rumfartøjer.Kulstof-kulstofkompositterKulstof-kulstofkompositter anvendes generelt i applikationer, der kræver ekstreme temperaturer, typisk op til ca. 1650 °C. I kombination med aktiv køling kan de faktisk anvendes til forkanterne på næse, vinger og haler i luftrammer, der udsættes for temperaturer på helt op til 3300 °C. I forbindelse med National Aerospace Plane-flyet blev der f.eks. anvendt kulstof-kulstofkompositter som tynde paneler, der var mekanisk fastgjort til den underliggende titanium-matr~x-kompositstruktur over dele af fuselagen. På trods af deres meget høje termiske modstandsdygtighed er kulstof-kulstofkompositter imidlertid meget modtagelige over for oxidation; på National Aerospace Plane skulle de beskyttes med tynde flerlagsbelægninger af siliciumcarbid. Til rumfartøjer kan kulstof-kulstofkompositter give betydeligt kortere tid og færre omkostninger til fremstilling af strukturer ved hjælp af hurtige fortætningsprocesser. NASA er i færd med at udvikle kontinuerlige og batch-behandlingsteknikker til rørformede rammer til rumfartøjer af kulstof-kulstof og præcisionsreflektor-, antenne-, radiator- og aerobrakepaneler med passende termiske, reflekterende og strålende belægninger.47
48Teknologi til små rumfartøjerSTRUKTUR/MATERIALSYSTEMERDen udfordring, som fantasifulde designere står over for i de små rumfartøjers tidsalder, bliver at kombinere teknologierne inden for avancerede materialer, strukturer, udrulningsanhængere og interaktion mellem styring og strukturer til små og billige konfigurationer. Der findes en stor mængde struktur- og materialeteknologi, der er relevant for fly og store rumfartøjer (og de små rumfartøjer fra de første årtier i rummet), som kan fungere som et nyttigt springbræt for udformningen af nuværende og fremtidige små rumfartøjer, men på forskellige tekniske områder og deres syntese er der et bredt spektrum af behov for yderligere forskning og udvikling. Den førnævnte udskiftning af aluminium-lithiumlegeringer med aluminium i traditionelle strukturelle metalkonstruktioner vil medføre øjeblikkelige, om end beskedne, vægtbesparelser. Men det nuværende vidensgrundlag for produktion af og design med kompositmaterialer, især polymer-matrixkompositter, skal ikke blot absorberes grundigt, men skal muligvis også forbedres væsentligt af det nye samfund for små rumfartøjer for at opfylde kravene om lavere omkostninger og for at opfylde løftet om lavere vægt. kompositmaterialer og komponenter, der udtrykkeligt er konfigureret til at opfylde flere krav (f.eks. til styrke og varmeledningsevne), giver klart mulighed for vægtbesparelser. Udformningen af enkle, pålidelige og billige samlinger og fastgørelser i kompositkonstruktioner er et problem for struktur/materialesystemer, som aldrig forsvinder, ligesom det beslægtede krav om nem ændring af konstruktion og fremstilling for at imødekomme uforudsete (men uundgåelige) ændringer i payloac-konfigurationer. Selv om nogle af de eksisterende koncepter og teknologier til kompakt opbevaring og pålidelig anvendelse af redskaber fortsat kan finde anvendelse på små rumfartøjer, er der et betydeligt potentiale for nye opfindelser og udvikling på dette område i betragtning af den uundgåelige konflikt mellem strukturens lille størrelse og ønskeligheden af store redskaber. Endelig vil ingeniørerne af små rumfartøjer på baggrund af en betydelig eksisterende teoretisk forskning og laboratorieforskning, men med kun få etablerede flyveerfaringer til rådighed, skulle være stærkt involveret i de nye teknologier for interaktion mellem kontrolstrukturer og intelligente strukturer og deres spændende løfter, herunder deres integration i det samlede rumfartøjssystem som omkostningsbesparende og vægtbesparende elementer.FUNDATER OG PRIORITEREDE ANBEFALINGERNASA har potentielt en vigtig rolle at spille i skabelsen, forbedringen og anvendelsen af strukturer og materialeteknologi til små rumfartøjer, både i sin traditionelle egenskab af agentur for frontlinjeforskning~…..,O..~ Orocu sea på særlige relevante emner og som leder af fælles projekter med industrien, der har til formål at demonstrere design, fremstilling og anvendelse af højtydende, pålidelige og tilpasningsdygtige små rumfartøjer i overensstemmelse med de centrale retningslinjer om lave omkostninger og lav vægt. Som altid er det vigtigt at være på vagt for at sikre, at disse aktiviteter nærer hinanden.
Rumfartøjsstrukturer og -materialerDe følgende eksplicitte anbefalinger til NASA’s indsats er anført i en prioriteret rækkefølge, der afspejler den integrerede vurdering fra Pane} on Small Spacecraft Technology, efter at der er taget hensyn til udviklingen af ny teknologi og de potentielle gevinster, der med rimelighed kan forventes.I. Der bør lægges vægt på forskning i enkle, billige, udrulningsvenlige bomme og overflader. Målene bør omfatte høj pålidelighed i forbindelse med opstilling, kompakt opbevaring og tilstrækkelig præcision. Det er af afgørende betydning, at der ved jordprøvning kan dokumenteres en vellykket udfoldelse i rummet. 2. Der bør iværksættes et fælles program for NASA og industrien med henblik på at demonstrere udviklingen af avancerede små rumfartøjer, der er baseret på polymerkompositkomponenter, og som udnytter eksisterende og ny teknologi, hvor det er hensigtsmæssigt, for at opfylde de store krav om lave omkostninger, lav vægt, pålidelighed og tilpasningsevne. NASAS-initiativet vedrørende teknologi til små rumfartøjer kan opfylde dette mål.3. I koordination med den igangværende forskning på universiteter og andre statslige organer bør forskningsindsatsen intensiveres inden for intelligente strukturer og interaktion mellem styring og strukturer. Forskningen bør både være af generisk karakter og fokusere på specifikke behov for små rumfartøjer.4. Der bør iværksættes et kortvarigt demonstrationsprogram sammen med industrien med henblik på at designe, konstruere og kvalificere en struktur til små rumfartøjer, der primært er baseret på nuværende strukturelle designkonfigurationer, der udnytter aluminium-lithiumlegeringer i stedet for aluminium, for at afgøre, om det er muligt at opnå hurtige vægtbesparelser med minimal indsats og omkostning.5NASA bør have tilstrækkelig ekspertise inden for polymer-matrixkompositteknologi til at identificere og forfølge mulighederne for forskning med henblik på at forbedre styrke, stivhed, termiske egenskaber og fremstillingsøkonomi, med særlig opmærksomhed på mulighederne for komponenter med flere anvendelsesmuligheder og konstruktion af modulære fastgørelser og samlinger.49