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sEstruturas e Materiais de NavegaçãoBACKGROUND AND STATUSSestruturas de aeronaves – pequenas ou grandes devem ser feitas de materiais que resistam, sem falhas ou distorções excessivas, às tensões estáticas, dinâmicas e térmicas que ocorrem durante o lançamento, implantação e serviço. As cargas úteis e equipamentos auxiliares também devem ser protegidos de distorções indesejáveis, vibrações e mudanças de temperatura. Anexos como antenas e refletores que são grandes demais para caber na espaçonave em suas configurações operacionais devem ser embalados em estados de colapso durante o lançamento e, em seguida, implantados. Esses requisitos de projeto devem ser atendidos dentro das diretrizes de peso, custo e condições de confiabilidade que são sempre inextricavelmente acopladas e têm de ser reavaliadas no contexto da filosofia da pequena espaçonave. O peso estrutural das naves espaciais tem sido historicamente apenas cerca de 20% do peso seco total. No entanto, a economia de peso estrutural pode assumir uma importância acentuada para muitas pequenas emissões, onde cada quilograma raspado da estrutura é precioso, e pode proporcionar maior capacidade para carga útil adicional, dispositivos de controle autônomo ou equipamento auxiliar. No entanto, essa ênfase no baixo peso pode ser temperada em algumas aplicações de pequenas naves espaciais que envolvem demandas por baixo custo, fácil adaptabilidade e capacidade de crescimento. Embora a estrutura da espaçonave e o material que a compõe sejam entidades intrinsecamente ligadas em suas influências no custo, resistência, rigidez, peso, confiabilidade e adaptabilidade à mudança, é conveniente discutir separadamente questões que podem ser consideradas como predominantes tanto nas estruturas quanto na categoria de materiais.STRUCTURESCentemente, na maioria das pequenas naves espaciais, uma simples estrutura de treliça fornece a resistência das primaries às cargas estáticas e dinâmicas, em c! painéis planos (muitas vezes de construção sanduíche) suportam a carga útil e o conteúdo das naves espaciais associadas. Embora não pareça que tenha sido dada tanta atenção à otimização da configuração estrutural da espaçonave, futuras emissões exigirão um projeto mais eficiente da estrutura central do ônibus. Felizmente, passado42
Estruturas e materiais de naves espaciais e aplicação de voo em aviões e ônibus espaciais de grande porte disponibilizaram configurações comprovadas e de alta eficiência, tais como estruturas de concha rígidas e painéis de pele. Além das estruturas convencionais de ônibus, há uma necessidade de estruturas destacáveis e de uso especial na maioria das naves espaciais, qualquer que seja o tamanho. O status dessas estruturas aprimoradas da espaçonave é discutido abaixo. Estruturas destacáveis Para cumprir sua missão, uma pequena espaçonave pode requerer um apêndice, como um boom ou uma superfície, que é muito grande em relação ao tamanho da espaçonave. Esses apêndices devem ser embalados em estados de colapso durante o lançamento e, posteriormente, implantados antes da operação. As naves espaciais passadas e presentes têm usado uma variedade de estruturas articuláveis como instrumentos de suporte de barras ou cobertores de células solares ou como estruturas de área formando antenas ou matrizes solares. Algumas dessas estruturas implementáveis foram desenvolvidas durante os anos 60 e início dos anos 70 para uso nas pequenas naves espaciais da época, mas durante as duas últimas décadas, o desenvolvimento avançado na NASA e no DoD na área de estruturas implementáveis foi dirigido quase inteiramente para grandes antenas e plataformas, particularmente aquelas para as quais a precisão é um requisito dominante.No entanto, as tecnologias desenvolvidas podem ser úteis para pequenas naves espaciais, especialmente se for necessária alta precisão. A maioria das estruturas destacáveis existentes são consideradas confiáveis apenas em virtude de serem testadas exaustivamente por implantações terrestres repetidas, o que é complicado e barato devido à necessidade de neutralizar os efeitos da gravidade em configurações que são projetadas para operar no ambiente espacial livre de gravidade. Mesmo assim, a recente experiência de voo envolveu um número angustiante de desdobramentos. As pequenas naves espaciais de baixo custo podem requerer novos e mais simples designs de implantação confiável. Uma das atuais dificuldades de desenvolvimento envolve o uso de insufláveis, que são possivelmente mais baratos e mais confiáveis do que estruturas articuladas. Interação Controle-Estruturas e Estruturas Inteligentes A era das interações controle-estruturas está bem encaminhada, e a das suas descendência, das ninhadas inteligentes,2 amanheceu. Estas tecnologias têm particular relevância para os projetos de pequenas naves espaciais. Contrabalançar o ambiente de carga dinâmica durante o lançamento com o fornecimento de embalagens estruturais suficientemente rígidas pode não fazer sentido em naves espaciais pequenas se a supressão ativa da vibração pudesse alcançar o isolamento necessário43~ A interação entre estruturas de controle refere-se ao acoplamento entre os deslocamentos das estruturas indeformáveis e o desempenho dos sistemas de controle.2 Uma estrutura inteligente tem sensores e atuadores como partes integrantes juntamente com um computador de controle que é necessário para controlar ativamente as vibrações e a forma.
44Tecnologia para naves espaciais pequenas (de tensão dinâmica e aceleração) com menor massa. Além disso, após o lançamento, a interação entre as estruturas de controle e o design da estrutura inteligente desempenham um papel importante na supressão do jittery O problema do jitter pode na verdade ser acentuado em naves espaciais pequenas pelos efeitos da escala. Embora a maioria das pequenas naves espaciais atuais estejam sendo projetadas sem o uso da interação controle-estrutura e estruturas inteligentes, estas técnicas avançadas se tornarão essenciais à medida que as cargas úteis científicas e outras se tornarem mais sensíveis e à medida que os requisitos de apontamento e restrições dimensionais de precisão se tornarem mais severas. Outras possíveis tecnologias de atuadores são baseadas em forma-memória (por exemplo, Nitinol), efeitos eletrostrópicos e magnetostrictivos, 6 andmicromotores. O Laboratório Phillips da Força Aérea Americana tem demonstrado um aumento de amortecimento estrutural de duas ordens de magnitude e tem providenciado demonstrações do uso de sensores e atuadores embutidos para supressão de vibrações ativas e passivas. Além disso, materiais compostos de fibra de grafite/polímero-matnx com relações de resistência e densidade muito mais altas e relações de rigidez e densidade estão encontrando uso substancial em aeronaves e naves espaciais, mais em satélites comerciais do que em naves espaciais da NASA, e ainda menos em naves espaciais inmilitares. Para as pequenas naves espaciais iniciais, a tendência tem sido usar o solado de alumínio e evitar a percepção de custos extras de materiais mais avançados. As futuras pequenas naves espaciais com requisitos de maior desempenho e peso mais leve irão necessariamente utilizar os materiais avançados. O status desses materiais avançados candidatos é discutido abaixo.3 A ninhada é a inaceitável perturbação induzida pelas vibrações durante as janelas de tempo de desempenho crítico.4 Um dispositivo piezoelétrico sofre mudança reversível de dimensão quando uma força elétrica é aplicada. A mudança de dimensão depende da polaridade da Delhi.~ l, ~s Um efeito electroestrictivo é uma mudança dimensional reversível num material quando o material é submetido a um campo eléctrico. A direção da mudança dimensional é independente da polaridade do campo elétrico.6 Um efeito magnetostrictivo é uma mudança dimensional reversível em um material quando este é submetido a campos elétricos ou magnéticos.
Estruturas e Materiais das Embarcações de Alumínio-Lítio Uma alternativa para a economia de peso ao uso de ligas convencionais de alumínio, o projeto de uma embarcação de inspeção poderia ser o uso de ligas de alumínio-lítio. A menor densidade das ligas de alumínio-lítio, juntamente com sua rigidez um pouco maior e, em ligas específicas, maior resistência, poderia proporcionar uma economia imediata de peso de 7 a 20 por cento com poucas mudanças necessárias na fabricação e design. Além disso, as ligas específicas de alumínio-lítio e magnésio-alumínio-lítio mostram uma tenacidade acentuadamente aumentada em temperaturas criogênicas, uma propriedade importante para tanques de combustível líquido de oxigênio e hidrogênio líquido. As ligas de alumínio-lítio podem proporcionar uma rigidez elástica até 12% maior e, no caso da liga Alcoa 2090, um aumento de quase 20% na resistência à tração sobre as ligas de alumínio convencionais, como 2219 e 2014. Além disso, técnicas de processamento e fabricação (por exemplo, usinagem, fresagem química, soldagem a arco de tungstênio a gás, shotpeen forming, etc.) semelhantes às empregadas para ligas convencionais podem ser utilizadas em ligas de foralumínio-lítio. Além disso, estudos (por exemplo, na General Dynamics e na NASA) sugerem que técnicas de processamento de baixo custo, quase em forma de rede7 de ligas de alumínio-lítio que estão em desenvolvimento podem levar a economias de custo de 20 a 30% em comparação com estruturas usinadas integrais. Entretanto, embora a substituição das ligas de alumínio-lítio por ligas convencionais possa ser alcançada essencialmente sem redesenho, e várias ligas estejam se tornando “testadas em vôo” como componentes de aeronaves comerciais, é preciso ter cuidado com o uso de forjados de certas ligas de alumínio-lítio devido à sua baixa espessura de passagem (curto-transverso).As seguintes ligas de alumínio-lítio estão atualmente disponíveis….Wel~a~ite_ é uma liga de alumínio-lítio desenvolvida por Martin Marietta, que tem excelentes características de soldagem, resistência, resistência comparável ao alumínio, e resistência à corrosão por tensão. Duas variantes daWeldalite são as ligas Reynolds Metals 2195 e MD345.Alloy 2090 foi desenvolvida pela Alcoa para substituir a liga convencional7075-T6, e para algumas aplicações, para substituir a liga 2024-T3. A liga 2090 tem a maior resistência de todas as ligas de alumínio-lítio. A liga 8090 foi desenvolvida pela Alcan, com aproximadamente 15% a 20% de resistência inferior à liga 2090, mas melhorou a tolerância a danos e a tenacidade transversal curta (Venkateswara Rao e Ritchie, 19921.produto.457 Próximo ao processamento em forma de rede produz uma peça que requer pouca usinagem do acabamento
46Tecnologia para pequenas naves espaciais Até hoje, ligas de alumínio-lítio não foram usadas em pequenas estruturas espaciais, embora tenham aparecido em projetos de veículos de lançamento. Compostos Poliméricos-MatrixEm programas de pequenas naves espaciais planejados atualmente, há uma tendência para a exploração considerável de compostos organo-matrix em treliças estruturais, tanques de inpropulsores (ou como sobras em tanques de metal), e em componentes de painéis planos! Uma economia de peso significativa (talvez 25 a SO por cento) poderia ser alcançada na estrutura da espaçonave através do uso de compósitos poliméricos de matriz. Contudo, a questão do custo desses compósitos não pode ser divorciada do esforço de engenharia necessário para estabelecer a confiança no seu uso, que varia em função da experiência disponível para agências individuais e empresas. No entanto, o nível geral de experiência acumulada indiferente aos compósitos nos Estados Unidos, especialmente na indústria aeronáutica e nas grandes aeronaves. .a. – , , ~ ~ ~ ~ ~ ~ – ~ ~ , , , – ~ em, ~ empreiteiros principais de aeronaves, deve ser elevado o suficiente para contrariar as tendências residuais para aceitar as penalidades de peso associadas aos projetos baseados no uso exclusivo de ligas de alumínio convencionais. Além disso, estimativas da indústria sugerem que os custos da resina epóxi ou materiais compostos similares podem na verdade, a longo prazo, ser inferiores aos dos metais monolíticos na mesma aplicação. Embora os compósitos poliméricos-matrix estejam sujeitos a efeitos de degradação do ambiente espacial que devem ser considerados, existem até agora indicações de que seu desempenho estrutural estaria seriamente ameaçado pelas exposições de três a cinco anos atualmente contempladas para a maioria das pequenas emissões de naves espaciais. Vários empreiteiros e laboratórios governamentais, incluindo SpaceSystems/Loral, Lockheed Missiles and Space Company, Martin Marietta Astro Space e Lawrence Livermore National Laboratory estão desenvolvendo técnicas para a produção econômica de estruturas compostas para naves espaciais. Formas estruturais, tais como tubos, podem ser obtidas a custos variáveis de vários fornecedores comerciais, que vão desde fabricantes de eixos de tacos de golfe até empreiteiros do setor aeroespacial. Outras fibras compostas poliméricas-matriz bem utilizadas são o vidro e o Keviar,_ que são processadas de forma semelhante às fibras de grafite. A fibra de vidro, particularmente a variante S-glass, pode ser submetida a 3% de deformação sem danos e é útil para aplicações que requerem grande capacidade de deformação, mas sua resistência e rigidez não são notáveis. A fibra de Keviar, por outro lado, tem alta resistência específica à tração e rigidez e é útil onde as propriedades elétricas ou dielétricas são motivo de preocupação. KevIar, no entanto. tem uma resistência relativamente baixa à compressão.Metal-MairLx CompositesCompósitosMetal-matrix estão se tornando disponíveis com possíveis aplicações de estruturas e componentes para naves espaciais. Como materiais para armações de naves espaciais, as ligas de alumínio reforçadas com carboneto de silício, alumina, ou partículas ou fibras de boro podem oferecer
Estruturas e materiais das naves espaciais vantagens de maior rigidez e resistência; entretanto, esses materiais podem ser uma ordem de magnitude mais cara do que as ligas convencionais de alumínio e ter certas desvantagens de propriedades mecânicas (por exemplo, as ligas reforçadas com partículas têm, até recentemente, mostrado baixa ductilidade e propriedades de resistência). Além disso, compósitos metal-matriz específicos, tais como ligas de magnésio reforçadas com grafite, podem oferecer maior rigidez a coeficientes de expansão térmica (para estabilidade dimensional) comparáveis aos dos compósitos grafite-resina. Tais compósitos metal-matriz podem ser desenhados com propriedades físicas e mecânicas ajustadas e não têm o caráter de epoxy.NASA está considerando compósitos boro-alumínio me~-matriz para aplicações selecionadas em estruturas primárias para seus veículos de transferência de espaço e ligas silício-carbideparticulate-aluminum para tanques criogênicos. Os compostos de titânio e titânio-matriz são geralmente aplicáveis para ambientes com temperaturas mais elevadas. Por exemplo, a liga Timetal 2IS reforçada com carboneto de silício é útil em temperaturas de até 800°C e tem uma resistência explosiva à corrosão e à oxidação em temperaturas elevadas. Para ~ “7 ,exemplo, Rockwell desenvolveu compósitos de matriz de cobre com reforço de fibra de grafite, molibdênio ou tungstênio para estruturas ativamente resfriadas em aeronaves hipersônicas e bicos de foguete e em aletas de radiadores para sistemas de energia espacial. Estes compósitos são resistentes a altos fluxos térmicos e em aplicações de ciclagem térmica, e oferecem uma maior resistência à sujeira em comparação com ligas condutivas convencionais. Fairchild Space andDefense Corporation está trabalhando em painéis eletro-emissivos para gerenciamento térmico de pequenas naves espaciais. Compostos de Carbono-CarbonoOs compostos de carbono são geralmente usados em aplicações que requerem temperaturas extremas, normalmente até cerca de 1650°C. De fato, combinados com o resfriamento ativo, podem ser utilizados para as bordas frontais do nariz, asas e caudas de estruturas de ar expostas a temperaturas tão altas quanto 3300°C. Para o veículo do Plano Aeroespacial Nacional, por exemplo, os compósitos de carbono-carbono estavam sendo usados como painéis finos mecanicamente ligados à estrutura composta de titânio-matr~x sobre partes da fuselagem. No entanto, apesar de sua resistência térmica muito alta, os compósitos carbono-carbono são altamente sensíveis à oxidação; no Plano Aeroespacial Nacional, eles precisavam ser protegidos por revestimentos finos multicamadas de carboneto de silício. Para naves espaciais, os compósitos de carbono-carbono podem oferecer tempo e custo significativamente reduzidos para a fabricação de estruturas através de processos de rápida sensibilização. A NASA está desenvolvendo técnicas de processamento contínuo e em lote para estruturas tubulares de carbono-carbono e reflectores de precisão, antenas, radiadores e painéis de aerobrake com revestimentos térmicos, reflectores e radiadores apropriados.47
48Tecnologia para pequenas naves espaciaisSTRUTURA/MATERIAIS O desafio para projetistas imaginativos na era das pequenas naves espaciais será a utilização de tecnologias de materiais avançados, estruturas, apêndices implantáveis e interação controle-estruturas em configurações pequenas e baratas. Existe um grande corpo de estruturas e tecnologia de materiais pertinentes a aeronaves e grandes espaçonaves (e as pequenas espaçonaves das primeiras décadas espaciais) que podem fornecer um trampolim útil para o design de pequenas espaçonaves atuais e futuras, mas, invariantes áreas técnicas e sua síntese, há uma ampla gama de necessidades para a pesquisa e desenvolvimento. A já mencionada substituição das ligas de alumínio-lítio por alumínio em projetos tradicionais de estruturas metálicas provaria imediata, se modesta, economia de peso. Mas a atual base de conhecimento para a produção e design com materiais compostos compostos de matriz polimérica, em particular, tem que ser não apenas completamente absorvida, mas pode ter que ser substancialmente melhorada! pela comunidade emergente de pequenas naves espaciais, a fim de atender às demandas de custo de reboque, bem como a promessa de peso de fluxo. O design de juntas e acessórios de estruturas incompostas simples, fiáveis e baratas é um problema de sistemas de estruturas/materiais que nunca desaparece, pois é o requisito relacionado com a facilidade de design e modificação de fabrico para acomodar alterações não previstas (mas inevitáveis) nas configurações payloac! Apesar de alguns conceitos e tecnologias existentes para o armazenamento compacto e a utilização fiável de apêndices poderem encontrar uma aplicabilidade contínua em pequenas naves espaciais, existe um potencial considerável para novas invenções e desenvolvimento nesta área, dado o inevitável conflito entre a estrutura e a conveniência de grandes apêndices. Finalmente, contra os antecedentes da considerável pesquisa teórica e laboratorial existente, mas com pouca experiência de voo disponível, os engenheiros de pequenas naves espaciais terão de estar fortemente envolvidos com as tecnologias nascentes da interacção entre as estruturas de controlo e as estruturas inteligentes e a sua excitante promessa, incluindo a sua integração no sistema global das naves espaciais como elementos de redução de custos e de redução de peso.A NASA tem papéis potencialmente importantes a desempenhar na criação, melhoria e aplicação da tecnologia de estruturas e materiais para pequenas naves espaciais, tanto na sua capacidade tradicional como agência de fronteira. pesquisa genérica da enaineerina-ciência~…..,O..~ Orocu sea em tópicos específicos relevantes e como líder Em projetos conjuntos com a indústria destinados a demonstrar o projeto, fabricação e implantação de pequenas naves espaciais de alto desempenho, confiáveis e adaptáveis, de acordo com as diretrizes centrais de baixo custo e baixo peso. Como sempre, a vigilância é essencial para assegurar que essas atividades nutram umas às outras.
Estruturas e Materiais das espaçonavesAs seguintes recomendações explícitas para a ação da NASA estão listadas em uma ordem de prioridade que reflete o julgamento integrado do Painel} sobre Tecnologia de Pequenas Naves Espaciais, depois de considerar o estado de desenvolvimento de novas tecnologias e potenciais payoffs que podem ser razoavelmente esperados.I. Pesquisas sobre barras e superfícies implantáveis simples e de baixo custo devem ser enfatizadas. Os objetivos devem incluir alta confiabilidade de implantação, acondicionamento compacto e precisão adequada. Um programa conjunto da indústria da NASA deve ser iniciado para demonstrar o desenvolvimento de projetos avançados de pequenas espaçonaves que são baseados em componentes compostos de polímeros, explorando a tecnologia disponível, bem como novas tecnologias, conforme apropriado para atender às mesmas exigências de baixo custo, baixo peso, confiabilidade e adaptabilidade. A NASASmall Spacecraft Technology Initiative pode cumprir esse objetivo.3 Em coordenação com as pesquisas em andamento nas universidades e outras agências governamentais, os esforços de pesquisa devem ser intensificados na área de interação entre estruturas inteligentes e estruturas de controle. A pesquisa deve ser genérica em caráter, bem como focada em necessidades específicas para pequenas espaçonaves.4. Um programa de demonstração de curto prazo com a indústria deve ser empreendido para projetar, construir e qualificar uma pequena estrutura de espaçonaves com base principalmente em configurações de projeto de correntes estruturais que exploram ligas de alumínio-lítio em vez de alumina, a fim de determinar a viabilidade de economia rápida de peso com o mínimo de esforço e custo.5A experiência suficiente na tecnologia de compósitos poliméricos de matriz deve ser mantida dentro da NASA para identificar e buscar oportunidades de pesquisa visando resistência, rigidez, propriedades térmicas e economia de fabricação, com atenção explícita às possibilidades de componentes de uso múltiplo e à engenharia de acessórios e juntas modulares.49