Nedan följer den okorrigerade maskinlästa texten till detta kapitel, som är avsedd att förse våra egna sökmotorer och externa motorer med en mycket innehållsrik, kapitelrepresentativ sökbar text av varje bok. Eftersom det är okorrigerat material, betrakta följande text som en användbar men otillräcklig ersättning för de auktoritativa boksidorna.
Spacecraft Structures and MaterialsBACKGROUND AND STATUSSRymdskeppsstrukturer – små eller stora – måste vara gjorda av material som utan fel eller överdriven förvrängning motstår de statiska, dynamiska och termiska påfrestningar som uppstår under uppskjutning, utplacering och användning. Nyttolaster och extrautrustning måste också skyddas från oönskad förvrängning, vibrationer och temperaturförändringar.Tillbehör som antenner och reflektorer som är för stora för att rymmas i rymdfarkosten i dess operativa konfiguration måste förpackas i hopfälld form under uppskjutningen och därefter sättas upp. Dessa konstruktionskrav bör uppfyllas inom ramen för riktlinjer för vikt-, kostnads- och tillförlitlighetsvillkor som alltid är oupplösligt kopplade och som måste omvärderas inom ramen för filosofin för små rymdfarkoster. Rymdfarkosternas strukturella vikt har historiskt sett bara utgjort cirka 20 procent av den totala torrvikten. Besparing av den strukturella vikten kan dock få en ökad betydelse för många uppdrag med små rymdfarkoster, där varje kilo som sparas bort från strukturen är värdefullt och kan ge ökad kapacitet för ytterligare nyttolast, autonoma kontrollanordningar eller extrautrustning. Denna betoning på låg vikt kan dock mildras i vissa tillämpningar av små rymdfarkoster som innebär krav på låg kostnad, enkel anpassningsförmåga och tillväxtförmåga.Även om rymdfarkostens struktur och det material som den är uppbyggd av är oskiljaktigt sammanlänkade när det gäller deras påverkan på kostnad, hållfasthet, styvhet, vikt, tillförlitlighet och anpassningsförmåga till förändringar, är det ändå lämpligt att separat diskutera frågor som kan anses tillhöra antingen struktur- eller materialkategorin.STRUKTURERFör närvarande utgör en enkel fackverkskonstruktion i de flesta små rymdfarkoster det primära motståndet mot statiska och dynamiska belastningar, medan platta paneler (ofta av sandwichkonstruktion) bär upp nyttolasten och tillhörande rymdfarkostinnehåll. Även om det inte verkar som om man har ägnat mycket uppmärksamhet åt att optimera rymdfarkostens strukturella konfiguration, kommer framtida uppdrag att kräva en effektivare utformning av den centrala bussstrukturen. Lyckligtvis har tidigare42
Spacecraft Structures and Materialsforskning och flygtillämpning i flygplan och stora rymdbussar gjort det möjligt att använda beprövade, högeffektiva konfigurationer, t.ex. förstärkta skalstrukturer och paneler med förstärkningar på huden. Utöver de konventionella bussstrukturerna finns det ett behov av utplacerbara strukturer och strukturer för särskilda ändamål på de flesta rymdfarkoster, oavsett storlek. Nedan diskuteras statusen för dessa förbättrade rymdfarkoststrukturer.Utplacerbara strukturerFör att utföra sitt uppdrag kan en liten rymdfarkost behöva ett tillbehör, t.ex. en bom eller en yta, som är mycket stor i förhållande till rymdfarkostens storlek. Sådana redskap måste förpackas i hopfällt skick vid uppskjutning och sedan sättas ut innan de tas i bruk. Tidigare och nuvarande rymdfarkoster har använt en mängd olika ledade, utplacerbara strukturer som bommar som bär upp instrument eller solcellsskydd eller som ytstrukturer som bildar antenner eller solpaneler. En del av dessa flyttbara strukturer utvecklades under 1960-talet och början av 1970-talet för att användas på dåtidens små rymdfarkoster, men under de senaste två decennierna har den avancerade utvecklingen vid NASA och försvarsdepartementet inom området flyttbara strukturer nästan helt och hållet riktats mot stora antenner och plattformar, i synnerhet sådana där precision är ett dominerande krav.De flesta befintliga flyttbara strukturer anses tillförlitliga endast genom att de har testats grundligt genom upprepade markbaserade utplaceringar, vilket är komplicerat och dyrt på grund av behovet av att motverka gravitationens effekter på konfigurationer som är utformade för att fungera i den gravitationsfria rymdmiljön. Trots detta har den senaste tidens flygerfarenheter inneburit ett oroväckande antal problem vid utplacering. Billiga små rymdfarkoster kan komma att kräva nya och enklare och tillförlitliga konstruktioner för utplacering. En av de nuvarande inriktningarna i utvecklingsarbetet är användningen av uppblåsbara flygplan, som kan vara billigare och mer tillförlitliga än ledade strukturer.Samverkan mellan kontrollstrukturer och smarta strukturerSamverkan mellan kontrollstrukturer har börjat och dess avkomma, smarta strukturer2 , har börjat. Dessa tekniker har särskild betydelse för utformningen av små rymdfarkoster. Att motverka den dynamiska belastningsmiljön under uppskjutningen enbart genom att tillhandahålla en tillräckligt styv strukturell förpackning är kanske inte meningsfullt för en liten rymdfarkost om en aktiv vibrationsdämpning skulle kunna åstadkomma den isolering som krävs43~ Med samverkan mellan styrning och strukturer avses kopplingen mellan förskjutningar av deformerbara strukturer och styrsystemens prestanda.2 En smart struktur har sensorer och manöverdon som integrerade delar tillsammans med en styrdator som krävs för att aktivt styra vibrationer och form.
44 Teknik för små rymdfarkoster (från dynamisk påfrestning och acceleration) med lägre massa. Efter uppskjutningen spelar dessutom samverkan mellan kontrollstrukturer och smart utformning av strukturer en viktig roll när det gäller att förhindra jitter. Även om de flesta nuvarande små rymdfarkoster utformas utan användning av samverkan mellan kontrollstrukturer och smarta strukturer, kommer dessa avancerade tekniker att bli nödvändiga i takt med att vetenskaplig och annan nyttolast blir mer känslig och att kraven på riktningsbestämning och dimensionell precision blir strängare.Experimentella smarta strukturer som utvecklats av NASA, försvarsdepartementet och på andra håll består av kompositmaterial som innehåller piezoelektriska4 sensorer och manöverdon för att styra det mekaniska beteendet. Andra möjliga tekniker för ställdon är baserade på material med formminne (t.ex. nitinol), elektrostriktiva och magnetostriktiva effekter6 och mikromotorer. U.S. Air Force Phillips Laboratory har demonstrerat en ökning av strukturdämpningen i rymdfarkoster med två storleksordningar och har i omloppsbana demonstrerat användningen av inbäddade sensorer och ställdon för både aktiv och passiv vibrationsdämpning.MATERIALAluminium är det konventionella materialet för flygkonstruktioner av alla typer. Dessutom används kompositmaterial av grafitfiber/polymer-matnx med mycket högre styrka-till-täthet-förhållanden och styvhet-till-täthet-förhållanden i stor utsträckning i flygplan och rymdfarkoster, mer i kommersiella satelliter än i NASA:s rymdfarkoster, och ännu mindre i militära rymdfarkoster. För tidiga små rymdfarkoster har tendensen varit att enbart använda aluminium för att undvika de extra kostnader som uppfattas som mer avancerade material. Framtida små rymdfarkoster med krav på högre prestanda och lägre vikt kommer med nödvändighet att använda avancerade material. Statusen för dessa avancerade kandidatmaterial diskuteras nedan.3 Kullen är oacceptabla störningsinducerade vibrationer under kritiska tidsfönster för prestanda.4 En piezoelektrisk anordning genomgår en reversibel förändring av dimensionen när en elektrisk kraft anbringas. Dimensionsförändringen är beroende av Delhi:s polaritet.~ l, ~s En elektrostriktiv effekt är en reversibel dimensionsförändring i ett material när materialet utsätts för ett elektriskt fält. Riktningen för dimensionsförändringen är oberoende av polariteten hos det elektriska fältet.6 En magnetostriktiv effekt är en reversibel dimensionsförändring i ett material när materialet utsätts för elektriska eller magnetiska fält.
Rymdfarkosters strukturer och materialAluminium-litiumlegeringarEtt viktbesparande alternativ till användningen av konventionella aluminiumlegeringar i rymdfarkoster skulle kunna vara användningen av aluminium-litiumlegeringar. Den lägre densiteten hos aluminium-litiumlegeringar, tillsammans med deras något ökade styvhet och, i vissa legeringar, högre hållfasthet, skulle kunna ge omedelbara viktbesparingar på 7 till 20 procent med få nödvändiga ändringar i tillverkning och konstruktion. Dessutom uppvisar vissa aluminium-lithium- och magnesium-aluminium-lithium-legeringar en markant ökad seghet vid kryogeniska temperaturer, vilket är en viktig egenskap för bränsletankar för flytande syre och flytande väte.När det gäller rymdkonstruktioner kan dessa egenskaper vara särskilt viktiga, eftersom de flesta konstruktioners brott kommer att vara förknippade med buckling eller spänningsbrott. Baserat på buckling och sträckhållfasthet bör en ökning av elasticitetsmodul och sträckhållfasthet eller draghållfasthet ge en motsvarande minskning av strukturvikten.Aluminium-lithiumlegeringar kan ge upp till 12 procent högre elastisk styvhet och, när det gäller Alcoas legering 2090, en ökning av draghållfastheten med nästan 20 procent jämfört med konventionella aluminiumlegeringar som 2219 och 2014. Dessutom kan bearbetnings- och tillverkningstekniker (t.ex. maskinbearbetning, kemisk fräsning, gasljusbågssvetsning, formning genom skottpålning osv.) som liknar dem som används för konventionella legeringar användas för aluminium-litiumlegeringar. Dessutom tyder studier (t.ex. vid General Dynamics och NASA) på att tekniker för lågkostnadsbearbetning7 av aluminium-litiumlegeringar, som håller på att utvecklas, kan leda till kostnadsbesparingar på 20-30 procent jämfört med integrerade maskinbearbetade konstruktioner. Även om det i huvudsak är möjligt att ersätta konventionella legeringar med aluminium-litiumlegeringar utan någon omkonstruktion, och flera legeringar håller på att ”flygprovas” som komponenter för kommersiella flygplan, måste man vara försiktig med användningen av smidesgods av vissa aluminium-litiumlegeringar på grund av deras låga genomgående tjocklek (kort tvärgående) seghet.Följande aluminium-litiumlegeringar är för närvarande tillgängliga….Wel~a~ite_ är en aluminium-litiumlegering som utvecklats av Martin Marietta och som har utmärkta svetsegenskaper, styrka, jämförbar hårdhet med aluminium och motståndskraft mot spänningskorrosion. Två varianter av weldalite är Reynolds Metals legeringar 2195 och MD345.Legering 2090 utvecklades av Alcoa för att ersätta den konventionella legeringen 7075-T6, och för vissa tillämpningar för att ersätta legering 2024-T3. Legering 2090 har den högsta hållfastheten av alla aluminium-litiumlegeringar.Legering 8090 utvecklades av Alcan och har ungefär 15-20 procent lägre hållfasthet än legering 2090, men förbättrad skadetolerans och kortsiktig tvärgående seghet (Venkateswara Rao och Ritchie, 19921.product.457). Nästan nätformsbearbetning ger en del som kräver liten bearbetning av den färdiga delen. 5964>
46 Teknik för små rymdfarkoster Hittills har aluminium-litiumlegeringar inte använts i små rymdfarkoster, även om de har dykt upp i bärraketer.Polymermatris-kompositerI de för närvarande planerade programmen för små rymdfarkoster finns det en trend mot ett betydande utnyttjande av kompositer med organisk matris i strukturella fackverksdelar, i drivmedelstankar (eller som överdrag på metalltankar) och i platta skivdelar. En mycket betydande viktbesparing (kanske 25 till SO procent) skulle kunna uppnås i rymdfarkostens struktur genom användning av polymer-matrixkompositer. Frågan om kostnaden för sådana kompositer kan dock inte skiljas från den tekniska insats som krävs för att skapa förtroende för deras användning, vilket varierar beroende på den expertis som är tillgänglig för enskilda myndigheter och företag. Den samlade erfarenheten av konstruktion med kompositer i Förenta staterna, särskilt inom flygplansindustrin och stora företag, är dock mycket stor. .a. – , , , ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ – ~ ~ , , , , – ~ at, ~ rymdfarkoster, bör vara tillräckligt hög för att motverka kvarvarande tendenser att acceptera de viktförluster som är förknippade med konstruktioner som uteslutande bygger på användning av konventionella aluminiumlegeringar. Vidare tyder branschens uppskattningar på att kostnaderna för grafitekpoxi eller liknande kompositmaterial faktiskt på lång sikt kan vara lägre än kostnaderna för monolitiska metaller i samma tillämpning. Även om polymer-matrixkompositer är utsatta för nedbrytningseffekter i rymdmiljön som måste beaktas, finns det hittills inga indikationer på att deras strukturella prestanda skulle hotas allvarligt av de exponeringar på tre till fem år som för närvarande övervägs för de flesta uppdrag med små rymdfarkoster. Flera entreprenörer och statliga laboratorier, däribland SpaceSystems/Loral, Lockheed Missiles and Space Company, Martin Marietta Astro Space och Lawrence Livermore National Laboratory, håller på att utveckla tekniker för ekonomisk produktion av kompositstrukturer för rymdfarkoster.Den vanligaste polymer-matrixkompositen för primära rymdfarkoster är grafit-epoxid. Strukturella former, t.ex. rör, kan erhållas till varierande kostnader från flera kommersiella leverantörer, som sträcker sig från tillverkare av golfklubbskaft till huvudentreprenörer inom rymdindustrin. Andra välanvända polymer-matrixkompositfibrer är glas och Keviar,_ som bearbetas på samma sätt som grafitfibrer. Glasfiber, särskilt S-glasvarianten, kan utsättas för en 3-procentig belastning utan att skadas och är användbar för tillämpningar som kräver stor belastningskapacitet, men dess hållfasthet och styvhet är inte anmärkningsvärd. Keviarfibrer å andra sidan har hög specifik draghållfasthet och styvhet och är användbara när elektriska eller dielektriska egenskaper är av betydelse. Keviar har dock en relativt låg tryckhållfasthet.Metall-MairLx-kompositerMetallmatris-kompositer börjar bli tillgängliga och kan komma att användas för ramar och komponenter i rymdfarkoster. Som rammaterial för rymdfarkoster kan aluminiumlegeringar som är förstärkta med partiklar eller fibrer av kiselkarbid, aluminiumoxid eller bor erbjuda fördelar i form av ökad styvhet och hållfasthet, men dessa material kan vara en storleksordning dyrare än konventionella aluminiumlegeringar och har vissa mekaniska nackdelar (t.ex. har de partikelförstärkta legeringarna fram till nyligen uppvisat dåliga duktilitets- och seghetsegenskaper). Dessutom kan vissa metall-matrixkompositer, t.ex. grafitförstärkta magnesiumlegeringar, ge ökad styvhet vid termiska utvidgningskoefficienter (för dimensionell stabilitet) som är jämförbara med kompositer av grafit och harts. Sådana metall-matrixkompositer kan utformas med skräddarsydda fysiska och mekaniska egenskaper och har inte den utgasning som kännetecknar graftepoxi.NASA överväger bor-aluminium-matrixkompositer för utvalda tillämpningar i primära strukturer för sina rymdfarkoster och kisel-karbidpartikulära aluminiumlegeringar för kryogentankar. Titan och titan-matrixkompositer är generellt tillämpliga för miljöer med högre temperaturer. Den kiselkarbidförstärkta legeringen Timetal 2IS är till exempel användbar vid temperaturer upp till 800 °C och har utmärkt motståndskraft mot korrosion och oxidation vid förhöjda temperaturer.Metall-matrixkompositer har också använts som lättviktiga, starka och högledande material för värmeledningssystem vid höga temperaturer. Rockwell har till exempel utvecklat kopparmatrixkompositer med fiberförstärkningar av grafit, molybden eller volfram för aktivt kylda strukturer i hypersoniska flygplan och raketdysor samt i radiatorfenor för rymdkraftsystem. Dessa kompositer är stabila vid höga värmeflöden och vid termiska cykler, och de har bättre motståndskraft mot krypning jämfört med konventionella ledande legeringar. Fairchild Space and Defense Corporation arbetar med elektroemitterande paneler för värmestyrning av små rymdfarkoster.Kol-kolkompositerKol-kolkompositer används i allmänhet i tillämpningar som kräver extrema temperaturer, vanligen upp till ca 1650 °C. I kombination med aktiv kylning kan de faktiskt användas för de främre kanterna på nosen, vingarna och stjärten på flygplansramar som utsätts för temperaturer på upp till 3300°C. För fordonet National Aerospace Plane användes t.ex. kol-kolkompositer som tunna paneler som mekaniskt fästes vid den underliggande titan-matr~x-kompositstrukturen över delar av flygplanskroppen. Trots sin mycket höga värmebeständighet är kol-kol-kompositer dock mycket känsliga för oxidation. På National Aerospace Plane måste de skyddas genom tunna flerskiktsbeläggningar av kiselkarbid. För rymdfarkoster kan kol-kolkompositer ge betydligt kortare tid och lägre kostnader för tillverkning av strukturer genom snabba förtätningsprocesser. NASA håller på att utveckla kontinuerliga och satsvisa bearbetningsmetoder för rörformiga ramar för rymdfarkoster av kolkol och precisionsreflektor-, antenn-, radiator- och aerobrakepaneler med lämpliga termiska, reflekterande och radiatorbeläggningar.47
48Teknik för små rymdfarkosterSTRUKTUR/MATERIALSYSTEMDen utmaning som fantasifulla konstruktörer ställs inför i små rymdfarkosters tidsålder kommer att vara att kombinera tekniken för avancerade material, strukturer, utplacerbara redskap och interaktion mellan styrning och strukturer till små och billiga konfigurationer. Det finns en stor mängd struktur- och materialteknik som är relevant för flygplan och stora rymdfarkoster (och de små rymdfarkosterna under de första rymddecennierna) och som kan utgöra en användbar språngbräda för utformningen av nuvarande och framtida små rymdfarkoster, men det finns ett brett spektrum av behov av ytterligare forskning och utveckling inom olika tekniska områden och deras synteser. Den tidigare nämnda ersättningen av aluminium-litiumlegeringar med aluminium i traditionella metallkonstruktioner skulle ge omedelbara, om än blygsamma, viktbesparingar. Men den nuvarande kunskapsbasen för produktion av och konstruktion med kompositmaterial, särskilt polymer-matrixkompositer, måste inte bara tas till vara på ett grundligt sätt utan kan också behöva förbättras avsevärt av den framväxande gruppen av små rymdfarkoster för att uppfylla kraven på kostnad och löftet om lägre vikt.Kompositmaterial och kompositkomponenter som uttryckligen är konfigurerade för att uppfylla flera olika krav (t.ex. på hållfasthet och värmeledningsförmåga) erbjuder helt klart möjligheter till viktsbesparingar. Utformningen av enkla, tillförlitliga och billiga leder och fästen i kompositkonstruktioner är ett problem för struktur-/materialsystem som aldrig försvinner, liksom det därmed sammanhängande kravet på enkel modifiering av konstruktion och tillverkning för att tillgodose oförutsedda (men oundvikliga) förändringar i payloac-konfigurationerna. Även om vissa befintliga koncept och tekniker för kompakt lagring och tillförlitlig användning av redskap kan fortsätta att tillämpas på små rymdfarkoster, finns det en betydande potential för nya uppfinningar och utveckling på detta område, med tanke på den oundvikliga konflikten mellan strukturens litenhet och önskvärdheten av stora redskap. Slutligen måste ingenjörer som arbetar med små rymdfarkoster, mot bakgrund av omfattande teoretisk forskning och laboratorieforskning, men med liten etablerad flygerfarenhet, vara mycket engagerade i den nya tekniken för samverkan mellan kontrollstrukturer och smarta strukturer och deras spännande löften, inklusive deras integrering i det övergripande rymdfarkostsystemet som kostnads- och viktsbesparande element.RESULTAT OCH PRIORITERADE REKOMMENDATIONERNASA har en potentiellt viktig roll att spela när det gäller att skapa, förbättra och tillämpa struktur- och materialteknik för små rymdfarkoster, både i sin traditionella egenskap av byrå för forskning på området. generisk enaineerina-science research~…..,O..~ Orocu sea om särskilt relevanta ämnen och som ledare för gemensamma projekt med industrin, som syftar till att demonstrera utformning, tillverkning och användning av högpresterande, tillförlitliga och anpassningsbara små rymdfarkoster i enlighet med de centrala riktlinjerna om låg kostnad och låg vikt. Som alltid är det viktigt att vara vaksam för att se till att dessa verksamheter ger varandra näring.
Rymdfarkoststrukturer och material Följande uttryckliga rekommendationer för NASA:s åtgärder är uppräknade i en prioriteringsordning som återspeglar den integrerade bedömningen av Pane} on Small Spacecraft Technology, efter att ha beaktat hur långt utvecklingen av ny teknik har kommit och vilka potentiella vinster som rimligen kan förväntas.I. Forskning om enkla och billiga utplaceringsbara bommar och ytor bör betonas. Målen bör omfatta hög tillförlitlighet vid utplacering, kompakt förvaring och tillräcklig precision. Det är viktigt att det finns bevis på framgångsrik utplacering i rymden genom tester på marken. 2. Ett gemensamt program för NASA och industrin bör inledas för att demonstrera utvecklingen av avancerade små rymdfarkoster som är baserade på polymerkompositkomponenter, där man utnyttjar tillgänglig och ny teknik när det är lämpligt för att uppfylla de höga kraven på låg kostnad, låg vikt, tillförlitlighet och anpassningsförmåga. NASAS-initiativet för teknik för små rymdfarkoster kan uppfylla detta mål. 3. I samordning med pågående forskning vid universitet och andra statliga organ bör forskningsinsatserna intensifieras inom området smarta strukturer och samverkan mellan styrning och strukturer. Forskningen bör vara både generisk och inriktad på specifika behov för små rymdfarkoster. 4. Ett kortsiktigt demonstrationsprogram tillsammans med industrin bör genomföras för att utforma, konstruera och kvalificera en struktur för små rymdfarkoster som i första hand bygger på nuvarande konfigurationer för strukturell utformning där man utnyttjar aluminium-litiumlegeringar i stället för aluminium, för att fastställa om det är möjligt att göra snabba viktbesparingar med minimal ansträngning och kostnad. 5. Forskning om smarta konstruktioner för rymdfarkoster bör genomföras tillsammans med industrin.Tillräcklig sakkunskap om kompositteknik med polymermatris bör upprätthållas inom NASA för att identifiera och utnyttja möjligheter till forskning som syftar till att förbättra hållfasthet, styvhet, termiska egenskaper och tillverkningsekonomi, med särskild uppmärksamhet på möjligheterna till komponenter som kan användas flera gånger och på konstruktionen av modulära fästen och leder.49