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Estructuras y materiales de las naves espacialesBACKGROUND AND STATUSSLas estructuras de las naves espaciales -pequeñas o grandes- deben estar hechas de materiales que resistan, sin fallar o sin una distorsión excesiva, las tensiones estáticas, dinámicas y térmicas que se producen durante el lanzamiento, el despliegue y el servicio. Las cargas útiles y los equipos auxiliares también deben estar protegidos contra las distorsiones, las vibraciones y los cambios de temperatura no deseados. Los apéndices, como las antenas y los reflectores, que son demasiado grandes para caber en la nave espacial en sus configuraciones operativas, tienen que ser empaquetados en estados colapsados durante el lanzamiento y posteriormente desplegados. Estos requisitos de diseño deben cumplirse dentro de las directrices de peso, coste y condiciones de fiabilidad que siempre están inextricablemente unidas y deben reevaluarse en el contexto de la filosofía de las naves espaciales pequeñas. El peso estructural de las naves espaciales ha sido históricamente sólo un 20% del peso total en seco. Sin embargo, el ahorro de peso estructural puede asumir una importancia acentuada para muchas misiones de naves espaciales pequeñas, en las que cada kilogramo recortado de la estructura es valioso, y puede proporcionar una mayor capacidad para la carga útil adicional, los dispositivos de control autónomo o los equipos auxiliares. Sin embargo, este énfasis en el bajo peso puede verse atenuado en algunas aplicaciones de pequeñas naves espaciales que implican demandas de bajo coste, fácil adaptabilidad y capacidad de crecimiento. Aunque la estructura de la nave espacial y el material del que está compuesta son entidades indisolublemente unidas por su influencia en el coste, la resistencia, la rigidez, el peso, la fiabilidad y la adaptabilidad al cambio, es conveniente, sin embargo, discutir por separado las cuestiones que pueden considerarse predominantemente en la categoría de estructuras o de materiales.ESTRUCTURASActualmente, en la mayoría de las naves espaciales pequeñas, una simple estructura de celosía proporciona la principal resistencia a las cargas estáticas y dinámicas, mientras que los paneles planos (a menudo de construcción en sándwich) soportan la carga útil y el contenido asociado de la nave. Aunque no parece que se haya prestado mucha atención a la optimización de la configuración estructural de la nave, las futuras misiones requerirán un diseño más eficiente de la estructura del bus central. Afortunadamente, la investigación y las aplicaciones de vuelo en aviones y grandes autobuses espaciales han puesto a disposición de los usuarios configuraciones probadas de alta eficiencia, como las estructuras de cáscara reforzadas y los paneles de piel reforzada. Además de las estructuras convencionales de los autobuses, se necesitan estructuras desplegables y de propósito especial en la mayoría de las naves espaciales, sea cual sea su tamaño. El estado de estas estructuras mejoradas de las naves espaciales se analiza a continuación.Estructuras desplegablesPara cumplir su misión, una nave espacial pequeña puede necesitar un apéndice, como un brazo o una superficie, que es muy grande en relación con el tamaño de la nave espacial. Dichos apéndices deben ser empaquetados en estados colapsados durante el lanzamiento y posteriormente desplegados antes de la operación. Las naves espaciales del pasado y del presente han utilizado una variedad de estructuras articuladas desplegables como plumas que soportan instrumentos o mantas de células solares o como estructuras de superficie que forman antenas o conjuntos solares. Algunas de estas estructuras desplegables se desarrollaron durante los años sesenta y principios de los setenta para su uso en las pequeñas naves espaciales de la época, pero durante las dos últimas décadas, el desarrollo avanzado en la NASA y el Departamento de Defensa en el ámbito de las estructuras desplegables se ha dirigido casi por completo a las grandes antenas y plataformas, en particular aquellas para las que la precisión es un requisito dominante.La mayoría de las estructuras desplegables existentes sólo se consideran fiables si se prueban a fondo mediante repetidos despliegues en tierra, lo que resulta complicado y costoso debido a la necesidad de contrarrestar los efectos de la gravedad en las configuraciones diseñadas para funcionar en un entorno espacial sin gravedad. Aun así, la experiencia reciente de los vuelos se ha saldado con un número preocupante de problemas de despliegue. Las pequeñas naves baratas pueden requerir nuevos y más sencillos diseños desplegables fiables. Uno de los esfuerzos actuales de desarrollo implica el uso de inflables, que son posiblemente más baratos y más fiables que las estructuras articuladas.Interacción Control-Estructuras y Estructuras InteligentesLa era de las interacciones entre control y estructuras está muy avanzada, y la de su descendiente, las estructuras inteligentes,2 ha amanecido. Estas tecnologías tienen especial relevancia en el diseño de pequeñas naves espaciales. Contrarrestar el entorno de carga dinámica durante el lanzamiento mediante la provisión de un embalaje estructural suficientemente rígido puede no tener sentido en una nave espacial pequeña si la supresión activa de las vibraciones pudiera lograr el aislamiento requerido43~ La interacción entre control y estructuras se refiere al acoplamiento entre los desplazamientos de las estructuras deformables y el rendimiento de los sistemas de control.2 Una estructura inteligente tiene sensores y actuadores como partes integrales junto con un ordenador de control que se requiere para controlar activamente las vibraciones y la forma.
44Tecnología para naves espaciales pequeñas (de la tensión dinámica y la aceleración) con menor masa. Además, después del lanzamiento, la interacción entre las estructuras de control y el diseño de las estructuras inteligentes desempeñan un papel importante en la supresión de las vibraciones El problema de las vibraciones puede verse acentuado en las naves espaciales pequeñas por los efectos de la escala. Aunque la mayoría de las pequeñas naves espaciales actuales se diseñan sin utilizar la interacción de las estructuras de control y las estructuras inteligentes, estas técnicas avanzadas serán esenciales a medida que las cargas útiles científicas y de otro tipo se vuelvan más sensibles y los requisitos de apuntamiento y las limitaciones de precisión dimensional se vuelvan más severos.Las estructuras inteligentes experimentales desarrolladas por la NASA, por el Departamento de Defensa y en otros lugares consisten en capas de material compuesto que contienen sensores y actuadores piezoeléctricos4 para controlar el comportamiento mecánico. Otras posibles tecnologías de actuadores se basan en materiales con memoria de forma (por ejemplo, el nitinol), efectos electrostrictivos y magnetostrictivos6 y micromotores. El Laboratorio Phillips de las Fuerzas Aéreas de Estados Unidos ha demostrado un aumento de la amortiguación estructural de las naves en dos órdenes de magnitud y ha proporcionado demostraciones en órbita del uso de sensores y actuadores integrados para la supresión de la vibración tanto activa como pasiva.MATERIALESEl aluminio es el material convencional para las estructuras de vuelo de todo tipo. Además, los materiales compuestos de fibra de grafito/polímero-matnx con una relación resistencia/densidad y una relación rigidez/densidad mucho más elevadas se están utilizando de forma sustancial en aeronaves y naves espaciales, más en satélites comerciales que en naves espaciales de la NASA, y aún menos en naves espaciales militares. En las primeras naves espaciales pequeñas, se ha tendido a utilizar exclusivamente el aluminio y a evitar los costes adicionales percibidos de los materiales más avanzados. Las futuras naves pequeñas con requisitos de mayor rendimiento y menor peso utilizarán necesariamente materiales avanzados. El estado de estos materiales avanzados candidatos se discute a continuación.3 La basura es las vibraciones inaceptables inducidas por la perturbación durante las ventanas de tiempo de rendimiento crítico.4 Un dispositivo piezoeléctrico experimenta un cambio reversible en la dimensión cuando se aplica una fuerza eléctrica. El cambio de dimensión depende de la polaridad del Delhi.~ l, ~s Un efecto electrostrictivo es un cambio dimensional reversible en un material cuando éste se somete a un campo eléctrico. La dirección del cambio dimensional es independiente de la polaridad del campo eléctrico.6 Un efecto magnetostrictivo es un cambio dimensional reversible en un material cuando éste se somete a campos eléctricos o magnéticos.
Estructuras y materiales para naves espacialesAleaciones de aluminio-litioUna alternativa de ahorro de peso al uso de aleaciones de aluminio convencionales en el diseño de naves podría ser el uso de aleaciones de aluminio-litio. La menor densidad de las aleaciones de aluminio-litio, unida a su mayor rigidez y, en aleaciones específicas, a su mayor resistencia, podría suponer un ahorro inmediato de peso de entre el 7 y el 20% con pocos cambios en la fabricación y el diseño. Además, las aleaciones específicas de aluminio-litio y magnesio-aluminio-litio muestran una tenacidad notablemente mayor a temperaturas criogénicas, una propiedad importante para los tanques de combustible de oxígeno líquido e hidrógeno líquido. Las aleaciones de aluminio-litio pueden proporcionar hasta un 12% más de rigidez elástica y, en el caso de la aleación 2090 de Alcoa, un aumento de casi un 20% en la resistencia a la tracción con respecto a las aleaciones de aluminio convencionales, como la 2219 y la 2014. Además, las técnicas de procesamiento y fabricación (por ejemplo, el mecanizado, el fresado químico, la soldadura por arco de tungsteno con gas, la conformación por granallado, etc.) similares a las empleadas para las aleaciones convencionales pueden utilizarse para las aleaciones de aluminio-litio. Además, los estudios (por ejemplo, en General Dynamics y la NASA) sugieren que las técnicas para el procesamiento de bajo coste y casi de forma neta7 de las aleaciones de aluminio-litio que se están desarrollando pueden suponer un ahorro de costes del 20 al 30% en comparación con las estructuras mecanizadas integrales. Sin embargo, aunque la sustitución de aleaciones convencionales por aleaciones de aluminio-litio puede lograrse esencialmente sin rediseño, y varias aleaciones están siendo «probadas en vuelo» como componentes de aeronaves comerciales, debe tenerse cuidado con el uso de piezas forjadas de ciertas aleaciones de aluminio-litio debido a su baja tenacidad a través del espesor (transversal corto).Las siguientes aleaciones de aluminio-litio están disponibles actualmente: ….Wel~a~ite_ es una aleación de aluminio-litio desarrollada por Martin Marietta, que tiene excelentes características de soldadura, fuerza, dureza comparable a la del aluminio y resistencia a la corrosión por tensión. Dos variantes deWeldalite son las aleaciones 2195 y MD345 de Reynolds Metals.La aleación 2090 fue desarrollada por Alcoa para sustituir a la aleación convencional7075-T6, y para algunas aplicaciones, para sustituir a la aleación 2024-T3. La aleación 2090 tiene la mayor resistencia de todas las aleaciones de aluminio-litio. La aleación 8090 fue desarrollada por Alcan, con una resistencia entre un 15 y un 20 por ciento inferior a la de la aleación 2090, pero con una mayor tolerancia a los daños y una mayor tenacidad a corto plazo (Venkateswara Rao y Ritchie, 19921.product.457 Hasta la fecha, las aleaciones de aluminio-litio no se han utilizado en las estructuras de las naves espaciales pequeñas, aunque han aparecido en los diseños de los vehículos de lanzamiento. Se podría conseguir un ahorro de peso muy significativo (quizás del 25 al SO por ciento) en la estructura de las naves espaciales mediante el uso de compuestos de matriz polimérica. Sin embargo, la cuestión del coste de estos compuestos no puede separarse del esfuerzo de ingeniería necesario para establecer la confianza en su uso, que varía en función de la experiencia disponible en cada organismo y empresa. No obstante, el nivel general de experiencia acumulada en el diseño de materiales compuestos en Estados Unidos, especialmente en la industria aeronáutica y en las grandes empresas. .a. – , , ~ ~ ~ ~ – ~ , , – ~ en, ~contratistas principales de naves espaciales, debería ser lo suficientemente alto como para contrarrestar las tendencias residuales a aceptar las penalizaciones de peso asociadas a los diseños basados en el uso exclusivo de aleaciones de aluminio convencionales. Además, las estimaciones de la industria sugieren que los costes del epoxi de grafito o de materiales compuestos similares pueden ser, a largo plazo, menores que los de los metales monolíticos en la misma aplicación. Aunque los materiales compuestos de matriz polimérica están sujetos a efectos de degradación en el entorno espacial que deben tenerse en cuenta, hasta ahora no hay indicios de que su rendimiento estructural se vea seriamente amenazado por las exposiciones de tres a cinco años que se contemplan actualmente para la mayoría de las misiones de pequeñas naves espaciales. Varios contratistas y laboratorios gubernamentales, como SpaceSystems/Loral, Lockheed Missiles and Space Company, Martin Marietta Astro Space y Lawrence Livermore National Laboratory, están desarrollando técnicas para la producción económica de estructuras de materiales compuestos para naves espaciales. Las formas estructurales, como los tubos, pueden obtenerse a distintos costes de varios proveedores comerciales, que van desde los fabricantes de ejes de palos de golf hasta los contratistas principales del sector aeroespacial. Otras fibras compuestas de matriz polimérica muy utilizadas son la fibra de vidrio y el keviar, que se procesan de forma similar a las fibras de grafito. La fibra de vidrio, en particular la variante S-glass, puede someterse a una tensión del 3% sin sufrir daños y es útil para aplicaciones que requieren una gran capacidad de tensión, pero su resistencia y rigidez no son notables. La fibra de keviar, por el contrario, tiene una resistencia a la tracción y una rigidez específicas elevadas y es útil cuando las propiedades eléctricas o dieléctricas son motivo de preocupación. Sin embargo, el kevlar tiene una resistencia a la compresión relativamente baja.Composites Metal-MairLxLos composites de matriz metálica están empezando a estar disponibles con posibles aplicaciones para los bastidores y componentes de las naves espaciales. Como materiales para armazones de naves espaciales, las aleaciones de aluminio reforzadas con carburo de silicio, alúmina o partículas o fibras de boro pueden ofrecer ventajas de mayor rigidez y resistencia; sin embargo, estos materiales pueden ser un orden de magnitud más caro que las aleaciones de aluminio convencionales y tienen ciertas desventajas de propiedades mecánicas (por ejemplo, las aleaciones reforzadas con partículas han mostrado, hasta hace poco, pobres propiedades de ductilidad y tenacidad). Además, algunos compuestos de matriz metálica, como las aleaciones de magnesio reforzadas con grafito, pueden ofrecer una mayor rigidez con coeficientes de expansión térmica (para la estabilidad dimensional) comparables a los de los compuestos de grafito-resina. La NASA está estudiando la posibilidad de utilizar los compuestos de matriz metálica de boro y aluminio en determinadas aplicaciones de las estructuras primarias de sus vehículos de transporte espacial, así como aleaciones de silicio, carburo, partículas y aluminio para los depósitos criogénicos. Los compuestos de titanio y de matriz de titanio suelen ser aplicables a entornos de alta temperatura. Por ejemplo, la aleación Timetal 2IS reforzada con carburo de silicio es útil a temperaturas de hasta 800°C y tiene una excelente resistencia a la corrosión y a la oxidación a temperaturas elevadas. Por ejemplo, Rockwell ha desarrollado compuestos de matriz de cobre con refuerzos de fibra de grafito, molibdeno o tungsteno para estructuras de refrigeración activa en aviones hipersónicos y toberas de cohetes y en aletas de radiadores para sistemas de energía espacial. Estos compuestos son estables en aplicaciones de alto flujo de calor y de ciclos térmicos, y ofrecen una mayor resistencia a la fluencia en comparación con las aleaciones conductoras convencionales. Fairchild Space and Defense Corporation está trabajando en paneles electro-emisivos para la gestión térmica de pequeñas naves espaciales.Compuestos de carbono-carbonoLos compuestos de carbono-carbono se utilizan generalmente en aplicaciones que requieren temperaturas extremas, normalmente hasta unos 1650°C. De hecho, combinados con una refrigeración activa, pueden utilizarse para los bordes de ataque del morro, las alas y las colas de los fuselajes expuestos a temperaturas de hasta 3.300 °C. Por ejemplo, para el vehículo del National Aerospace Plane, se utilizaron compuestos de carbono-carbono en forma de finos paneles fijados mecánicamente a la estructura subyacente de compuesto de titanio-matr~x sobre partes del fuselaje. Sin embargo, a pesar de su gran resistencia térmica, los compuestos de carbono-carbono son muy susceptibles a la oxidación; en el avión aeroespacial nacional, tuvieron que ser protegidos mediante finos revestimientos multicapa de carburo de silicio. En el caso de las naves espaciales, los compuestos de carbono-carbono pueden reducir considerablemente el tiempo y el coste de fabricación de las estructuras mediante procesos de densificación rápida. La NASA está desarrollando técnicas de procesamiento continuo y por lotes para armazones tubulares de carbono para naves espaciales y paneles de precisión para reflectores, antenas, radiadores y frenos aéreos con revestimientos térmicos, reflectantes y de radiadores apropiados.47
48Tecnología para naves espaciales pequeñas SISTEMAS DE ESTRUCTURA/MATERIALESEl reto para los diseñadores imaginativos en la era de las naves espaciales pequeñas consistirá en fusionar las tecnologías de los materiales avanzados, las estructuras, los apéndices desplegables y la interacción de las estructuras de control en configuraciones pequeñas y económicas. Existe un amplio conjunto de tecnologías de estructuras y materiales pertinentes para las aeronaves y las naves de gran tamaño (y las pequeñas naves espaciales de los primeros decenios) que pueden servir de trampolín para el diseño de las pequeñas naves espaciales actuales y futuras, pero, en diversas áreas técnicas y su síntesis, hay una amplia gama de necesidades de investigación y desarrollo. La ya mencionada sustitución del aluminio por aleaciones de aluminio-litio en los diseños tradicionales de metales estructurales supondría un ahorro inmediato, aunque modesto, de peso. Pero la base de conocimientos actual para la producción y el diseño de materiales compuestos, en particular los compuestos de matriz de polímero, no sólo tiene que ser absorbida a fondo, sino que puede tener que ser mejorada sustancialmente por la comunidad emergente de pequeñas naves espaciales con el fin de satisfacer las demandas de coste y la promesa de peso reducido. El diseño de uniones y fijaciones sencillas, fiables y baratas en las estructuras de materiales compuestos es un problema de los sistemas de estructuras/materiales que nunca desaparece, al igual que la necesidad de modificar fácilmente el diseño y la fabricación para adaptarse a los cambios imprevistos (pero inevitables) de las configuraciones de los payloac. Aunque algunos de los conceptos y tecnologías existentes para el almacenamiento compacto y el despliegue fiable de los apéndices pueden seguir aplicándose a las pequeñas naves espaciales, existe un considerable potencial para nuevas invenciones y desarrollos en este ámbito, dado el inevitable conflicto entre la pequeñez de la estructura y la conveniencia de grandes apéndices. Por último, en un contexto de considerable investigación teórica y de laboratorio, pero con escasa experiencia de vuelo, los ingenieros de las pequeñas naves espaciales tendrán que involucrarse en gran medida con las tecnologías nacientes de la interacción entre control y estructuras y las estructuras inteligentes y su emocionante promesa, incluida su integración en el sistema general de la nave como elementos de reducción de costes y de peso.La NASA tiene un papel potencialmente importante que desempeñar en la creación, mejora y aplicación de la tecnología de estructuras y materiales para pequeñas naves espaciales, tanto en su capacidad tradicional como agencia de investigación científica de frontera~…..,O..~ Orocu sea en temas particulares relevantes como en el liderazgo de proyectos conjuntos con la industria destinados a demostrar el diseño, la fabricación y el despliegue de pequeñas naves espaciales de alto rendimiento, fiables y adaptables de acuerdo con las directrices centrales de bajo coste y bajo peso. Como siempre, la vigilancia es esencial para asegurar que estas actividades se alimenten mutuamente.
Estructuras y materiales de las naves espacialesLas siguientes recomendaciones explícitas para la acción de la NASA se enumeran en un orden de prioridad que refleja el juicio integrado del Panel} sobre Tecnología de las Naves Espaciales Pequeñas, después de considerar el estado de desarrollo de la nueva tecnología y los posibles beneficios que pueden esperarse razonablemente.I. Debe enfatizarse la investigación sobre plumas y superficies desplegables simples y de bajo coste. Los objetivos deberían incluir una alta fiabilidad de despliegue, una estiba compacta y una precisión adecuada. Es esencial la prueba en tierra del despliegue con éxito en el espacio.2. Debería iniciarse un programa conjunto de la NASA y la industria para demostrar el desarrollo de diseños avanzados de pequeñas naves espaciales que se basen en componentes de polímero, explotando la tecnología disponible así como la nueva, según proceda, para satisfacer las exigencias de bajo coste, bajo peso, fiabilidad y adaptabilidad. La Iniciativa de Tecnología de Naves Espaciales Pequeñas de la NAS puede cumplir este objetivo.3. En coordinación con la investigación en curso en las universidades y otros organismos gubernamentales, deberían intensificarse los esfuerzos de investigación en el ámbito de las estructuras inteligentes y la interacción entre control y estructuras. La investigación debería ser de carácter genérico y centrarse en las necesidades específicas de las naves espaciales pequeñas.4. Debería emprenderse un programa de demostración a corto plazo con la industria para diseñar, construir y calificar una estructura de nave espacial pequeña basada principalmente en las configuraciones de diseño estructural actuales que utilizan aleaciones de aluminio-litio en lugar de aluminio para determinar la viabilidad de un rápido ahorro de peso con un esfuerzo y coste mínimos.5La NASA debe mantener una experiencia suficiente en la tecnología de materiales compuestos de matriz polimérica para identificar y aprovechar las oportunidades de investigación destinadas a mejorar la resistencia, la rigidez, las propiedades térmicas y la economía de fabricación, prestando especial atención a las posibilidades de los componentes de uso múltiple y a la ingeniería de las uniones y los accesorios modulares.49