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sStrutture del veicolo spaziale e MaterialsBACKGROUND E STATUSSpacecraft strutture – piccole o grandi devono essere fatte di materiali che resistono, senza guasto o distorsione eccessiva, le sollecitazioni statiche, dinamiche e termiche thatoccur durante il lancio, lo spiegamento e il servizio. I carichi utili e le attrezzature ausiliarie devono anche essere protetti da distorsioni indesiderate, vibrazioni e cambiamenti di temperatura. Appendici come antenne e riflettori che sono troppo grandi per adattarsi al veicolo spaziale nelle loro configurazioni operative devono essere confezionati in stati collassati durante il lancio e successivamente distribuiti. Questi requisiti di progettazione dovrebbero essere soddisfatti all’interno delle linee guida per le condizioni di peso, costo e affidabilità che sono sempre inestricabilmente accoppiati e devono essere rivalutati nel contesto della filosofia del piccolo veicolo spaziale. Il peso strutturale dei veicoli spaziali è stato storicamente solo circa il 20% del peso totale a secco. Tuttavia, il risparmio di peso strutturale può assumere un’importanza accentuata per molte piccole missioni spaziali, dove ogni chilogrammo rasato dalla struttura è prezioso, e può fornire una maggiore capacità per carico utile aggiuntivo, dispositivi di controllo autonomi o apparecchiature ausiliarie. Tuttavia, questa enfasi sul peso ridotto può essere temperata in alcune applicazioni smallspacecraft che comportano richieste di basso costo, facile adattabilità, e growthcapability.Although la struttura del veicolo spaziale e il materiale di cui è composto sono entità inestricabilmente collegati nelle loro influenze sul costo, resistenza, rigidità, peso, affidabilità e adattabilità al cambiamento, è tuttavia conveniente per discutere separatamente questioni che possono essere considerati come essendo prevalentemente in strutture o materialscategory.STRUCTURTESCurrently, nella maggior parte dei piccoli veicoli spaziali, una struttura a traliccio semplice fornisce il primaryresistance ai carichi statici e dinamici, en c! pannelli piatti (spesso di costruzione sandwich) sostenere il carico utile e contenuti associati veicolo spaziale. Mentre non sembra thatmuch attenzione è stato pagato per ottimizzare la configurazione strutturale del veicolo spaziale, futuremissions richiederà un design più efficiente della struttura del bus centrale. Fortunatamente, le passate42
strutture e materiali del veicolo spaziale e l’applicazione di volo in aeroplani e grandi bus spaziali hanno reso disponibili configurazioni collaudate e ad alta efficienza come le strutture a guscio irrigidite e i pannelli skin-stiffener. Oltre alle strutture convenzionali del bus, c’è la necessità di strutture dispiegabili e speciali sulla maggior parte dei veicoli spaziali, qualunque sia la dimensione. Lo stato di queste strutture potenziate del veicolo spaziale è discusso di seguito.Strutture dispiegabiliPer compiere la sua missione, un piccolo veicolo spaziale può richiedere un’appendice, come un braccio o una superficie, che è molto grande rispetto alle dimensioni del veicolo spaziale. Tali appendici devono essere confezionati in stati collassati durante il lancio e successivamente dispiegato prima del funzionamento. I veicoli spaziali passati e presenti hanno usato una varietà di strutture articolate dispiegabili come bracci che supportano strumenti o coperte di cella solare o come areastrutture che formano antenne o array solari. Alcune di queste strutture dispiegabili sono state sviluppate durante gli anni ’60 e primi anni ’70 per l’uso sul piccolo veicolo spaziale di quel tempo, ma durante gli ultimi due decenni, lo sviluppo avanzato alla NASA e DoD nel areaof strutture dispiegabili è stato diretto quasi interamente verso grandi antenne e piattaforme, in particolare quelli per cui la precisione è un requisito dominante.Tuttavia, le tecnologie sviluppate possono essere utili per piccoli veicoli spaziali, particularlyif alta precisione è required.Most strutture deployable esistenti sono ritenuti affidabili solo in virtù di essere accuratamente testato da ripetuti dispiegamenti a terra, che è complicato e costoso a causa della necessità di contrastare gli effetti della gravità su configurazioni che sono progettati per operare in ambiente spaziale senza gravità. Anche così, la recente esperienza di volo ha coinvolto un numero angosciante di dispiegamento hangup. Smallspacecraft poco costoso può richiedere nuovi e più semplici disegni affidabili deployable. Una delle attuali spinte degli sforzi di sviluppo coinvolge l’uso di inflatables, che sono possibilmente più economico e più affidabile di strutture articolate.Interazione controllo-strutture e Smart StructuresThe età di controllo-strutture interazioni è ben avviata, e che di itsoffspring, stnuctures intelligente,2 ha albeggiato. Queste tecnologie hanno una particolare rilevanza per i progetti di piccoli veicoli spaziali. Contrastare l’ambiente di carico dinamico durante il lancio attraverso la fornitura di imballaggio strutturale sufficientemente rigido da solo può non avere senso in un piccolo veicolo spaziale se la soppressione attiva delle vibrazioni potrebbe raggiungere l’isolamento richiesto43~ L’interazione controllo-strutture si riferisce all’accoppiamento tra gli spostamenti delle strutture deformabili e le prestazioni dei sistemi di controllo.2 Una struttura intelligente ha sensori e attuatori come parti integranti insieme a un computer di controllo che è necessario per controllare attivamente le vibrazioni e la forma.
44Tecnologia per piccoli veicoli spaziali (da stress dinamico e accelerazione) con massa inferiore. Inoltre, dopo il lancio, l’interazione controllo-struttura e la progettazione intelligente della struttura giocano un ruolo importante nella soppressione del jitter Il problema del jitter può effettivamente essere accentuato nei piccoli veicoli spaziali dagli effetti di scala. Sebbene la maggior parte degli attuali veicoli spaziali di piccole dimensioni siano stati progettati senza l’uso dell’interazione controllo-strutture e delle strutture intelligenti, queste tecniche avanzate diventeranno essenziali man mano che i carichi utili scientifici e di altro tipo diventano più sensibili e i requisiti di puntamento e i vincoli di precisione dimensionale diventano più severi. Altre possibili tecnologie di attuazione sono basate su materiali a memoria di forma (ad esempio, Nitinol), effetti elettrostrittivi e magnetostrittivi, 6 e micromotori. L’U.S. Air Force Phillips Laboratory ha dimostrato un aumento dello smorzamento strutturale dei veicoli di due ordini di grandezza e ha fornito dimostrazioni in orbita dell’uso di sensori e attuatori incorporati per la soppressione delle vibrazioni sia attive che passive.MATERIALSAluminum è il materiale convenzionale per strutture di volo di tutti i tipi. Inaddition, grafite-fibra/polimero-matnx materiali compositi che hanno molto più alto strengthto rapporti di densità e rigidità a rapporti di densità stanno trovando uso sostanziale in aerei andspacraft, più in satelliti commerciali che in veicoli spaziali NASA, e ancora meno inmilitary spacecraft. Per i primi veicoli spaziali di piccole dimensioni, la tendenza è stata quella di utilizzare solo alluminio e di evitare i costi extra percepiti di materiali più avanzati. I futuri veicoli spaziali di piccole dimensioni con requisiti di prestazioni più elevate e peso inferiore utilizzeranno necessariamente i materiali avanzati. Lo stato di questi materiali avanzati candidati è discussedbelow.3 litter è l’inaccettabile disturbo indotto vibrazioni durante timewindows.4 prestazioni critiche Un dispositivo piezoelettrico subisce cambiamento reversibile in dimensione quando una forza elettrica èapplied. Il cambiamento di dimensione dipende dalla polarità del Delhi.~ l, ~s Un effetto elettrostrittivo è un cambiamento dimensionale reversibile in un materiale quando il materialis sottoposto a un campo elettrico. La direzione del cambiamento dimensionale è indipendente dalla polarità del campo elettrico.6 Un effetto magnetostrittivo è un cambiamento dimensionale reversibile in un materiale quando thematerial è sottoposto a campi elettrici o magnetici.
Strutture del veicolo spaziale e MaterialsAluminum-Lithium AlloysA peso risparmio alternativa all’uso di leghe di alluminio convenzionale inspacecraft progettazione potrebbe essere l’uso di alluminio-litio leghe. La densità inferiore dialluminio-litio leghe, accoppiato con la loro rigidità un po ‘aumentato e, in leghe specifiche, maggiore resistenza, potrebbe fornire risparmio di peso immediato di 7 a 20 per cento withfew richiesto modifiche nella fabbricazione e progettazione. Inoltre, specifiche leghe alluminio-litio e magnesio-alluminio-litio mostrano una tenacità notevolmente aumentata a temperature criogeniche, una proprietà importante per l’ossigeno liquido e i serbatoi di idrogeno liquido. Per quanto riguarda le strutture spaziali, queste caratteristiche possono essere particolarmente importanti, poiché il fallimento della maggior parte delle strutture sarà associato a deformazioni o fratture da stress. Sulla base di buckling e resistenza allo snervamento, un aumento del modulo elastico e resistenza allo snervamento o resistenza alla trazione dovrebbe produrre una corrispondente diminuzione del peso strutturale.leghe di alluminio-litio può fornire fino al 12 per cento più alta rigidità elastica e, nel caso di Alcoa lega 2090, un aumento di quasi il 20 per cento in resistenza alla trazione overconventional leghe di alluminio come 2219 e 2014. Inoltre, l’elaborazione e le tecniche di fabbricazione (ad esempio, la lavorazione, la fresatura chimica, la saldatura ad arco di tungsteno gassoso, la formatura di pallini, ecc.) simili a quelle impiegate per le leghe convenzionali possono essere utilizzate per le leghe di alluminio-litio. inoltre, gli studi (ad esempio, a General Dynamics e NASA) suggeriscono che le tecniche per il basso costo, vicino a net-shape processing7 di leghe di alluminio-litio che sono in fase di sviluppo possono portare a risparmi sui costi del 20-30% rispetto alle strutture lavorate integrali. Tuttavia, anche se la sostituzione delle leghe alluminio-litio con le leghe convenzionali può essere realizzata essenzialmente senza alcuna riprogettazione, e diverse leghe stanno diventando “testate in volo” come componenti di aerei commerciali, è necessario prestare attenzione all’uso dei forgiati di alcune leghe alluminio-litio a causa della loro bassa tenacità attraverso lo spessore (breve trasversale).Le seguenti leghe alluminio-litio sono attualmente disponibili….Wel~a~ite_ è una lega alluminio-litio sviluppata da Martin Marietta, che ha eccellenti caratteristiche di saldatura, forza, durezza comparabile all’alluminio e resistenza alla corrosione da stress. Due varianti di Weldalite sono le leghe Reynolds Metals 2195 e MD345.Alloy 2090 è stato sviluppato da Alcoa per sostituire la lega convenzionale7075-T6, e per alcune applicazioni, per sostituire la lega 2024-T3. La lega 2090 ha la più alta resistenza di tutte le leghe di alluminio-litio.La lega 8090 è stata sviluppata da Alcan, con circa il 15 per cento al 20 per cento di resistenza inferiore alla lega 2090, ma una migliore tolleranza ai danni e una tenacità trasversale breve (Venkateswara Rao e Ritchie, 19921.product.457 Quasi net-shape processing produce una parte che richiede poca lavorazione del finito
46Technology for Small SpacecraftTo date, leghe alluminio-litio non sono stati utilizzati in piccole spacecraftstructures, anche se sono apparsi in design.Polymer-Matrix CompositesIn attualmente previsto piccoli programmi spacecraft, c’è una tendenza verso lo sfruttamento considerevole di organico-matrix compositi in membri strutturali truss, inpropellant serbatoi (o come overwraps su serbatoi di metallo), e in pane piatto! Verysignificant risparmio di peso (forse 25 a SO per cento) potrebbe essere raggiunto nella struttura del veicolo spaziale attraverso l’uso di compositi polimero-matrice. Tuttavia, la questione del costo di tali compositi non può essere separata dallo sforzo ingegneristico necessario per stabilire la fiducia nel loro uso, che varia in funzione delle competenze disponibili alle singole agenzie e aziende. Tuttavia, il livello complessivo di esperienza accumulata nella progettazione con i compositi negli Stati Uniti, specialmente nell’industria aeronautica e nelle grandi. .a. – , , ~ ~ ~ ~ ~ – ~ ~ ~, , – ~ at, ~spacecraft prime contractors, dovrebbe essere abbastanza alto da contrastare le tendenze residue ad accettare le penalità di peso associate ai progetti basati sull’uso esclusivo di leghe di alluminio convenzionali. Inoltre, le stime dell’industria suggeriscono che i costi della grafite epossidica o di materiali compositi simili possono effettivamente, a lungo termine, essere inferiori a quelli dei metalli monolitici nella stessa applicazione. Anche se i compositi a matrice polimerica sono soggetti agli effetti di degradazione dell’ambiente spaziale che devono essere considerati, non ci sono indicazioni finora che le loro prestazioni strutturali sarebbero seriamente minacciate dalle esposizioni da tre a cinque anni attualmente contemplate per la maggior parte delle piccole missioni spaziali. Diversi appaltatori e laboratori governativi tra cui SpaceSystems/Loral, Lockheed Missiles and Space Company, Martin Marietta Astro Space e Lawrence Livermore National Laboratory stanno sviluppando tecniche per la produzione economica di strutture composite per veicoli spaziali. Le forme strutturali, come i tubi, possono essere ottenute a vari costi da diversi fornitori commerciali, che vanno dai fabbricanti di mazze da golf agli appaltatori principali del settore aerospaziale. Altre fibre composite a matrice polimerica ben utilizzate sono vetro e Keviar, che sono elaborati in modo simile alle fibre di grafite. Fibra di vetro, in particolare la variante S-vetro, può essere sottoposto a sforzo 3 per cento senza danno ed è utile per applicazioni che richiedono grande capacità di deformazione, ma la sua forza e rigidità èunremarkable. Keviar fibra, d’altra parte, ha alta resistenza alla trazione specifica andstiffness ed è utile dove le proprietà elettriche o dielettriche sono di preoccupazione. KevIar, tuttavia. ha una resistenza alla compressione relativamente bassa schiacciamento.Metal-MairLx CompositesMetal-matrix compositi stanno diventando disponibili con possibili applicazioni tospacecraft telai e componenti. Come materiali per i telai dei veicoli spaziali, le leghe di alluminio rinforzate con carburo di silicio, allumina, o particolato di boro o fibre possono offrire vantaggi di maggiore rigidità e resistenza; tuttavia, questi materiali possono essere un ordine di grandezza più costosi delle leghe di alluminio convenzionali e hanno alcuni svantaggi di proprietà meccaniche (ad esempio, le leghe rinforzate con particolato hanno, fino a poco tempo fa, mostrato scarsa duttilità e proprietà di resistenza). Inoltre, specifici compositi a matrice metallica, come le leghe di magnesio rinforzate con grafite, possono offrire una maggiore rigidità a coefficienti di espansione termica (per la stabilità dimensionale) paragonabili a quelli dei compositi grafite-resina. Tali compositi a matrice metallica possono essere progettati con proprietà fisiche e meccaniche su misura e non hanno la grafite epossidica outgassing characteristicof. La NASA sta considerando compositi a matrice di boro-alluminio per applicazioni selezionate in strutture primarie per i suoi veicoli di trasferimento spaziale e leghe di silicio-carburo-particelle-alluminio per serbatoi criogenici. Il titanio e i compositi a matrice di titanio sono generalmente applicabili per ambienti a temperature più elevate. Per esempio, la lega Timetal 2IS rinforzata con carburo di silicio è utile a temperature fino a 800°C e ha un’ottima resistenza alla corrosione e all’ossidazione a temperature elevate. I compositi metallo-matrice hanno anche trovato applicazione come materiali leggeri, forti e altamente conduttivi per sistemi di gestione termica a temperatura elevata. Per esempio, Rockwell ha sviluppato compositi a matrice di rame con rinforzi in fibra di grafite, molibdeno o tungsteno per strutture raffreddate attivamente negli ugelli di razzi e aerei ipersonici e nelle alette del radiatore per sistemi di alimentazione spaziale. Questi compositi sono stabili in un flusso di calore elevato e in applicazioni di ciclismo termico, e offrono una migliore resistenza allo scorrimento rispetto alle leghe conduttive convenzionali. Fairchild Space andDefense Corporation sta lavorando su pannelli elettro-emissivi per la gestione termica di piccoli veicoli spaziali. I compositi carbonio-carbonio-carbonio sono generalmente utilizzati in applicazioni che richiedono temperature estreme, tipicamente fino a circa 1650°C. Infatti, combinati con il raffreddamento attivo, possono essere utilizzati per i bordi d’attacco di muso, ali e code di cellule aeree esposte a temperature fino a 3300°C. Per il veicolo National Aerospace Plane, per esempio, i compositi carbonio-carbonio sono stati usati come pannelli sottili fissati meccanicamente alla struttura composita sottostante in titanio-matr~x su parti della fusoliera. Tuttavia, nonostante la loro altissima resistenza termica, i compositi carbonio-carbonio sono altamente suscettibili all’ossidazione; sul National Aerospace Plane, dovevano essere protetti da sottili rivestimenti multistrato di carburo di silicio. Per i veicoli spaziali, i compositi carbonio-carbonio possono offrire tempi e costi significativamente ridotti per la fabbricazione di strutture attraverso processi di rapiddensificazione. La NASA sta sviluppando tecniche di lavorazione continua e a lotti per telai tubolari di veicoli spaziali in carbonio-carbonio e pannelli di precisione per riflettori, antenne, radiatori e aerofreni con appropriati rivestimenti termici, riflettenti e radiatori.47
48Tecnologia per piccoli veicoli spazialiSTRUCTURE/MATERIALS SYSTEMSThe challenge to imaginative designers in the age of small spacecraft will be tomeld the technologies of advanced materials, structures, deployable appendages, andcontrol-structures interaction into small and inexpensive configurations. Esiste un grande corpo di strutture e tecnologie dei materiali pertinenti agli aerei e ai veicoli spaziali di grandi dimensioni (e ai piccoli veicoli spaziali dei primi decenni spaziali) che possono fornire un trampolino di lancio utile per la progettazione dei piccoli veicoli spaziali presenti e futuri, ma, in diverse aree tecniche e nella loro sintesi, esiste un’ampia gamma di esigenze per ulteriori ricerche e sviluppi. La già citata sostituzione delle leghe di alluminio-litio con l’alluminio nei tradizionali progetti di metallo strutturale provocherebbe un immediato, anche se modesto, risparmio di peso. Ma l’attuale base di conoscenze per la produzione e la progettazione con materiali compositi, in particolare i compositi a matrice polimerica, deve essere non solo completamente assorbita, ma potrebbe dover essere sostanzialmente migliorata dalla comunità emergente dei veicoli spaziali di piccole dimensioni, per soddisfare le richieste di costi di Tow e la promessa di peso ridotto. La progettazione di giunti e attacchi semplici, affidabili ed economici in strutture composite è un problema di sistemi struttura/materiali che non va mai via, come lo è il requisito correlato per una facile modifica di progettazione e fabbricazione per ospitare imprevisti (ma inevitabili) cambiamenti nelle configurazioni di payloac. Anche se alcuni concetti e tecnologie esistenti per lo stoccaggio compatto e cleployment affidabile di appendici possono trovare applicabilità continua a piccoli veicoli spaziali, c’è un notevole potenziale per nuove invenzioni e sviluppo in questo settore, dato il conflitto inevitabile tra thesmallness della struttura e la desiderabilità di grandi appendici. Infine, sullo sfondo di una considerevole ricerca teorica e di laboratorio esistente, ma con poca esperienza di volo consolidata disponibile, gli ingegneri di piccoli veicoli spaziali dovranno essere pesantemente coinvolti con le nascenti tecnologie di interazione controllo-strutture e smartstructures e la loro eccitante promessa, inclusa la loro integrazione nel sistema complessivo del veicolo spaziale come elementi di riduzione dei costi e risparmio di peso.FINDINGS AND PRIORITIZED RECOMMENDATIONSNASA ha potenzialmente importanti ruoli da svolgere nella creazione, miglioramento, e l’applicazione delle strutture e la tecnologia dei materiali per piccoli veicoli spaziali, sia in itstraditional capacità come un’agenzia di frontiera. generico enaineerina-science research~…..,O..~ Orocu sea su particolari argomenti rilevanti e come un leader In progetti congiunti con industryintended per dimostrare la progettazione, fabbricazione, e lo spiegamento di alte prestazioni, affidabile, e adattabile piccolo veicolo spaziale in conformità con le linee guida centrali di basso costo e basso peso. Come sempre, la vigilanza è essenziale per assicurare che queste attività si alimentino a vicenda.
Strutture e materiali del veicolo spazialeLe seguenti raccomandazioni esplicite per l’azione della NASA sono elencate in un ordine di priorità che riflette il giudizio integrato del Pane} sulla tecnologia dei piccoli veicoli spaziali, dopo aver considerato lo stato di sviluppo della nuova tecnologia e i potenziali profitti che possono essere ragionevolmente previsti.I. La ricerca su bracci e superfici dispiegabili semplici e a basso costo dovrebbe essere sottolineata. Gli obiettivi dovrebbero includere alta affidabilità di spiegamento, stivaggio compatto e adeguata precisione. La prova a terra del successo del dispiegamento nello spazio è essenziale.2. Un programma congiunto NASA-industria dovrebbe essere avviato per dimostrare gli sviluppi di progetti avanzati di piccoli veicoli spaziali che sono basati su componenti polimero-compositi, sfruttando la tecnologia disponibile e quella nuova, come appropriato per soddisfare le esigenze di basso costo, basso peso, affidabilità e adattabilità. La NASASmall Spacecraft Technology Initiative può soddisfare questo objective.3. In coordinamento con la ricerca in corso presso le università e altre agenzie governative, gli sforzi di ricerca dovrebbero essere intensificati nel settore delle strutture intelligenti andcontrol-interazione strutture. La ricerca dovrebbe essere generica nel carattere così come focalizzata sulle esigenze specifiche per piccoli veicoli spaziali.4. Un programma dimostrativo a breve termine con l’industria dovrebbe essere intrapreso per progettare, costruire e qualificare una piccola struttura del veicolo spaziale basata principalmente su configurazioni di progettazione currentstructural che sfruttano le leghe di alluminio-litio al posto dell’alluminio per determinare la fattibilità del risparmio di peso rapido con il minimo sforzo e costo.5All’interno della NASA dovrebbe essere mantenuta una sufficiente esperienza nella tecnologia dei compositi a matrice polimerica per identificare e perseguire opportunità di ricerca volte a migliorare la resistenza, la rigidità, le proprietà termiche e l’economia di fabbricazione, con un’attenzione esplicita alle possibilità di componenti a uso multiplo e all’ingegneria di attacchi e giunti modulari.49