Titaan ja titaanisulamid satelliidikonstruktsioonides: kerge disain ruumi jaoks

Keskkonnanõuded satelliidimaterjalidele

Satelliidi struktuur peab ellu jääma tingimustes, mida ükski maapealne rakendus ei reprodutseeri. Käivitamisel neelab see vibratsiooni ja akustilise koormuse, mis võib virna põhjas ületada 10 g ruutkeskmist. Orbiidil seisab see silmitsi kõva vaakumiga, korduva tsükliga varjutuse sügavkülma ja otsese päikesekütte vahel ning madalal Maa orbiidil aatomi hapniku erosiooniga. Iga orbiidile veetud konstruktsiooni kilogramm tõrjub välja ka kilogrammi kasulikku lasti, mistõttu määrab stardikulu kilogrammi kohta materjalide valiku sama palju kui mis tahes mehaanilised omadused.

Titaan sobib selle probleemiga paremini kui peaaegu ükski teine ​​metall. Selle tihedus ligikaudu 4,5 g/cm3 on ligikaudu 57 protsenti terase omast, see säilitab kasuliku tugevuse kogu orbiidi temperatuurivahemikus, see ei lagune vaakumis ja selle looduslikult moodustuv oksiidikiht muudab selle immuunseks aatomi hapnikuvoo suhtes, mis erodeerib polümeerkilesid ja lagundab kaitsmata komposiite madala maapinnaga või madala pinnasega.

Struktuurisulamid satelliitsiinides ja tõukejõu tugi

Alfa{0}}beetasulam Ti-6Al-4V on kosmoseriistvaras põhiline struktuurne titaan, mida kasutatakse kronsteinide, liitmike, eraldusriistvara, tõukejõu tugistruktuuride ja rõngaste jaoks, mis kannavad stardikoormust satelliidilt kanderaketi adapterisse. ASTM B348 seab minimaalseks tõmbetugevuseks 895 MPa ja minimaalseks voolavuspiiriks 828 MPa lõõmutatud olekus ning AMS 4928 rakendab sama sulamit vardadele, traadile ja sepistele, mille peal on lennundusprotsessi juhtimine.

Beeta-titaanisulamid laiendavad ulatust, kus konstruktsioon vajab väga suurt tugevust või tihedat vormitavust. Süsteemis GB/T 3620.1 tähistatud klassi TB2 on metastabiilne beetasulam, mida kasutatakse suure-läbimõõduga jäigastunud kestade konstruktsioonide ja mootori tugiraamide jaoks, kuna see on tugev ning võime vormida ja seejärel vananeda. Kui suure -läbimõõduga silindriline kest peab minimaalse massi juures vastu painduma, ületab beetasulam tavaliselt alfa-beetaklassi, kuna seda saab tarnida suurema tugevusega ilma vormimiseks vajalikku elastsust ohverdamata.

Nikkel-Titaani kujuga mälusulamid kasutuselevõtumehhanismide jaoks

Nikkel-titaanisulamid, mida tavaliselt kirjutatakse NiTi, muudavad kristallstruktuuri kõrgel-temperatuuri austeniidifaasi ja madala-temperatuuri martensiidi faasi vahel ning insenerid kasutavad pigem seda transformatsiooni kui tavapärast elastsust. Teisendustemperatuuri saab häälestada laias vahemikus, reguleerides koostist ja termomehaanilist töötlust, mis võimaldab disaineril määrata temperatuuri, mille juures mehhanism toimib.

Domineerivad kolm kosmoseaparaadi kasutust. Vabastusseadmetes kasutatakse NiTi elementi, mis väikese elektrivooluga kuumutamisel tõmbub kokku või muudab kuju, asendades pürotehnilised lõikurid ja nende löögikoormuse. Paigaldatavad antennid kasutavad eelvormitud NiTi komponente, mis hoiavad stardi ajal kompaktset geomeetriat ja naasevad pärast orbiidil vabastamist oma töökuju, taastades stabiilse kumera peegelpinna ilma mootorita ja selle juhtelektroonikata. Päikesemassiivi all hoidmise- ja vabastamise mehhanismid kasutavad sama põhimõtet, salvestades suure jõu väikesesse ja kergesse pakendisse.

NiTi inseneri ettevaatus seisneb selles, et selle käitumine sõltub ajaloost. Transformatsioonitemperatuurid muutuvad külmtöö ja kuumtöötlemise käigus, nii et NiTi komponent määratakse pigem selle mõõdetud muundamistemperatuuri ja funktsionaalse väsimuse, mitte ainult tõmbetugevuse järgi. NiTi mehhanismi kvalifitseerimine hõlmab tavaliselt termilist tsüklit töövahemikus ja korduvaid käivitamistsükleid, et näidata, et muundamistemperatuur ei ole triivinud.

Surveanumad ja raketikütuse paak

Satelliidi tõukejõu- ja survesüsteemid sõltuvad ladustatud gaasist ja raketikütusest rõhul, mis muudab massitõhususe kriitiliseks. Domineeriv konstruktsioon on komposiitkattega surveanum, milles õhuke metallist vooder tagab gaasitõkke ja hõõgniit-keeratud süsinikkiust kest kannab rõnga pinget. Titaanist vooderdised valitakse seal, kus raketikütus või surveaine on keemiliselt kokkusobivad ja kus vooder peab ilma pragunemiseta taluma termilist vahemikku; hõõgniidi mähis kantakse üle vooderdise, mis on eelnevalt survetsükliga läbi viidud ja kontrollitud.

Massi kokkuhoid on märkimisväärne -metallist anumaga võrreldes, sest vooder peab olema ainult piisavalt paks, et olla lekkekindel ja kanda koormust komposiidile. Metallist vooderdistega komposiitballoonide konstruktsiooniraamistik on määratletud ISO 11119 seerias tööstusliku gaasi teenindamiseks ja kohandatud kosmosesõidukite paakide jaoks ning alusvooderduse materjal tarnitakse plaadi või vardana ASTM B265 ja ASTM B348 jaoks.

Optilised ja instrumentide struktuurid

Kaamera- ja teleskoobistruktuurides kasutatakse titaani objektiivitorude, peeglikinnituste, deflektorite ja tugipostide jaoks, mis hoiavad optilisi elemente joondatud. Tõmbejõuks on jäikus väikese massi juures ja mõõtmete stabiilsus materjalis, mis ei rooma vaakumis. Termilise poole osas tasub olla täpne: Ti-6Al-4V soojuspaisumistegur on ligi 9 x 10-6 K kohta ja soojusjuhtivus umbes 6,7 W/mK, seega ei juhi see kiiresti soojust. Praktiline tagajärg on see, et titaanist optiline struktuur peab vastu kiiretele mööduvatele moonutustele, kuid võib kogu pikkuses tekitada termilise gradiendi, mistõttu optilise stabiilsuse otsustab pigem termiline analüüs kui materjali andmeleht.

Instrumentide korpused saavad kasu samadest omadustest. Titaan on mitte-magnetiline, seega ei moonuta see magnetvälja mõõtmisi ega sega magnetomeetri kasulikku koormust ega eraldu pärast puhastamist vaakumis oluliselt gaasi, mis on oluline läheduses olevate tundlike optiliste pindadega instrumentide puhul.

Praktilise töötoa reeglid titaani kosmoses kasutatava riistvara jaoks

Kaks rikkemehhanismi on spetsiifilised titaanile ja on kosmosepraktikasse sisse kirjutatud rangete reeglitena. Titaani ei tohi kunagi kokku puutuda kaadmiumiga, mis titaanist osa puhul ei tähenda kaadmiumiga katmist, kaadmium-kattega tööriistu ega kaadmiumi{2}}kattega kinnitusvahendeid, mis puutuvad kokku titaanstruktuuriga. Titaani kaadmiumi murenemine on kõrgel temperatuuril kiire ja katastroofiline ning saaste saab üle kanda nii tööriista kui ka komponendi abil.

Teine reegel puudutab puhastamist ja määrimist. Klooritud lahustid võivad põhjustada titaani pingekorrosioonipragusid ja neid ei tohi kasutada pingestatud osadel, ja titaan on kokku pandud titaanipurkide vastu ja võib vaakumis külmkeevitada, nii et keermed ja laagripinnad saavad enne kokkupanekut kuiva kilemäärdeaine või kontrollitud anodeeritud kihi. Töötlemisele peab järgnema peitsimisetapp, mis eemaldab kuumtöötlemisel või kuumtöötlemisel jäetud hapniku{2}}rikastatud alfa korpuse, kuna see kiht on rabe ja tekitab käivitusvibratsiooni mõjul väsimuspraod.

Korduma kippuvad küsimused

Q:Millist titaanisulamit kasutatakse satelliidikonstruktsioonides kõige rohkem?
V: Ti-6Al-4V, tarnitakse latina ASTM B348-le või lehe ja plaadina standarditele ASTM B265 ja AMS 4911. See pakub käivitamisel laaditava riistvara jaoks parimat saadaolevat spetsiifilise tugevuse, sitkuse ja tootmisküpsuse kombinatsiooni.

Q:Kuidas toimib titaan madalal Maa orbiidil aatomihapniku vastu?
V: Noh. Aatomihapnik erodeerib polümeere ja kaitsmata komposiite, kuid titaan moodustab stabiilse pinnaoksiidi, mis muutub kohe pärast rünnakut, seega on metalli erosioonikiirus polümeerkiledega võrreldes tühine.

Q:Milleks kasutatakse kosmoselaevadel NiTi kujuga mälusulameid?
V: Vabastusseadmed, mis asendavad pürotehnilisi lõikureid ja nende põrutuskoormust, lahtikäivad antennielemendid, mis taastavad vabastamisel töökuju, ning päikesepaneelide all hoidmise ja vabastamise mehhanismid. Mõju sõltub pigem kristallograafilisest transformatsioonist kui tavapärasest elastsusest.

Q:Kas titaani saab kosmoseriistvara jaoks kaadmiumiga katta?
V: Ei. Kaadmium põhjustab kõrgel temperatuuril titaani kiiret murenemist, seetõttu tuleb kaadmium-kattega tööriistad ja kaadmium-kattega kinnitusdetailid hoida titaankonstruktsioonidest eemal.

Q:Miks kasutatakse kõigi{0}}metallist paakide asemel titaanist surveanuma vooderdust?
V: Õhuke vooder, mis on kombineeritud hõõgniidist{0}}keeratud komposiitkestaga, kannab rõnga pinget palju tõhusamalt, nii et vooder peab olema lekkekindel ja koormuse ülekandmiseks komposiidile. Voodrimaterjal tarnitakse ASTM B265 või ASTM B348 järgi.

Q:Milliseid puhastusvahendeid tuleb titaanist ruumikonstruktsioonidel vältida?
V: Klooritud lahustid, mis võivad põhjustada pingestatud titaandetailide pingekorrosioonipragusid. Ka titaan sapib ja võib vaakumis enda vastu külmkeevitada, nii et keermed ja laagripinnad monteeritakse kokku kuiva kilemäärdeainega või anodeeritud pinnaga.