Композиты в гонке за космос

20 июля 2019 г. исполнилось 50 лет со дня рождения первого Аполлона . посадка на Луну. Хотя в то время Аполлон капсула была построена, промышленность композитов все еще находилась в зачаточном состоянии, а материалы еще не получили широкого распространения, Apollo В капсуле использовалась ранняя композитная технология в виде абляционного теплозащитного экрана, сделанного из Avcoat, эпоксидной новолачной смолы с кварцевыми волокнами в сотовой матрице из стекловолокна и фенола. Соты из стекловолокна были прикреплены к первичной структуре, и пастообразный материал вводился в каждую ячейку индивидуально. Начиная с Аполлона , современные композиты развивались семимильными шагами и сыграли значительную роль в космических программах с использованием ракет-носителей, космических челноков, спутников, космических телескопов и Международной космической станции.

Сегодня человечество готовится к новым захватывающим шагам в освоении космоса. Нынешняя администрация призвала к возвращению на Луну американских астронавтов к 2024 году и объявила о бюджете на 2021 год в размере более 25 миллиардов долларов для программы исследования человеком космоса Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА, Вашингтон, округ Колумбия, США). Администратор НАСА Джим Бриденстайн говорит, что этот бюджет - «один из самых сильных в истории НАСА».

В дополнение к еще одному снимку луны, у НАСА есть текущие и предстоящие миссии по изучению нашей Солнечной системы от Солнца до ледяных лун самых отдаленных планет и за ее пределами. Миссии по исследованию Солнца в настоящее время выполняются:на момент написания этой статьи солнечный зонд Parker в настоящее время отслеживает атмосферу Солнца, и солнечный орбитальный аппарат был успешно запущен. Также предпринимаются усилия по дальнейшему исследованию экзопланет и далеких галактик с помощью миссии Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) и космического телескопа Джеймса Уэбба, последний из которых добился больших успехов в готовности к запуску за последний год.

Новые космические аппараты и программы также появились в последние годы в результате расширения сотрудничества между национальными и международными космическими агентствами, а также коммерческими компаниями. Например, SpaceX (Хоторн, Калифорния, США) с его Crew Dragon космический корабль и Boeing Space and Launch (Арлингтон, Вирджиния, США) с его Starliner космические корабли мчатся к первому космическому полету США с экипажем после прекращения программы космических шаттлов в июле 2011 года. Обе компании выполняли тестовые полеты с НАСА в надежде на пилотируемую миссию в 2021 году.

От возросшей поддержки космической программы НАСА до стремительного роста коммерческого космоса человечество кажется действительно готовым к следующей великой космической эре. Композиты и современные материалы играют все более важную роль в производстве ракет-носителей, космических кораблей и инструментов, которые делают все эти исследования возможными.

Луна

Общая программа по возвращению людей на Луну названа в честь Артемиды, греческой богини луны и охоты, сестры-близнеца Аполлона, и масштаб программы огромен. Артемида создаст базу на лунной орбите, что позволит астронавтам не только дальше исследовать Луну, но и использовать Луну в качестве форпоста для возможных миссий на Марс. Несколько проектов составляют Artemis программу, в том числе новую систему тяжелого пуска, известную как Space Launch System (SLS), Orion судно экипажа, космическая станция на лунной орбите, известная как Gateway и лунный посадочный модуль. Современные композиты так или иначе влияют на все эти компоненты.

Тяжелая пусковая установка . SLS Rocket Stage готовится к отправке. Источник | НАСА

Система космического запуска (SLS)

Новая тяжелая ракета-носитель НАСА предназначена для проведения исследований за пределами земной орбиты. В 2015 году НАСА инвестировало в установку для автоматической укладки волокон (AFP) Electroimpact (Мукилтео, Вашингтон, США) для производства крупногабаритных деталей ракет, состоящих из многослойных структур диаметром более 8 метров, изготовленных из углеродных волокон с алюминиевой сотовой сердцевиной. Головка AFP вмещает до 16 катушек с углеродным волокном и расположена на конце 21-футового манипулятора, который размещает волокна на поверхности инструмента в виде точных рисунков для формирования структур различных форм и размеров.

Подобные многослойные конструкции создаются компанией RUAG Space (Декейтер, Алабама, США) с использованием ручного процесса укладки. Компания работает с Dynetics (Хантсвилл, Алабама, США) над универсальным адаптером сцены (США), который соединит верхнюю ступень SLS с Orion модуль экипажа. RUAG Space изготовит корпус адаптера диаметром 8,4 метра, состоящий из четырех четвертей композитных сотовых панелей, которые будут соединены между собой горячим соединением (Подробнее).

Многоцелевой корабль экипажа "Орион"

Состоит из командного модуля, произведенного Lockheed Martin (Бетесда, Мэриленд, США), и сервисного модуля, предоставленного Европейским космическим агентством (ESA, Париж, Франция) и произведенного Airbus Defense and Space (Оттобрунн, Германия), Орион сердце Артемиды Программа будет доставлять астронавтов в космос, служить исследовательским кораблем во время космических путешествий и возвращать экипаж на Землю.

Орион Двигательная установка включает в себя многочисленные компоненты, произведенные Aerojet Rocketdyne (Сакраменто, Калифорния, США), в том числе восемь вспомогательных биотопливных двигателей с тягой 110 фунтов, основанных на семействе двигателей Aerojet Rocketdyne R-4D. Aerojet Rocketdyne также поставляет для космического корабля аварийный двигатель системы Launch Abort System (LAS) и композитные сосуды высокого давления с оберткой. В начале 2020 года компания Aerojet Rocketdyne установила намоточную машину из углеродного волокна для производства корпусов твердотопливных двигателей (Подробнее).

Для повторного входа Орион использует теплозащитный экран из углеродного волокна диаметром 5 метров производства Lockheed Martin который выполнен в виде многослойной структуры с обшивкой из углеродного волокна и титановой сотовой сердцевиной. Затем тепловой экран покрывают панелями Avcoat - того же абляционного материала, который использовался для Apollo . миссии (Подробнее).

Четыре компрессионные подушки из абляционного материала прикреплены к теплозащитному экрану с помощью титановых болтов в точках, где командный модуль прикрепляется к сервисному модулю. Подушечки сжатия должны выдерживать структурные нагрузки во время запуска и всплытия, а также пироудар (от разрывных болтов) во время разделения двух модулей. Они также должны соответствовать требованиям к повторному входу для устойчивости к высоким температурам и абляции. Прокладки из углеродного волокна / фенола использовались в первом полете Orion испытательный автомобиль, но продемонстрировал признаки межламинарных трещин после полета и был заменен трехмерным тканым решением, известным как трехмерный многофункциональный абляционный TPS (3D-MAT), в котором используется трехмерный тканый кварцевый материал от Bally Ribbon Mills (Балли, Пенсильвания, США). ) и смолы на основе цианатного эфира от Toray Advanced Composites (Подробнее).

Лунная орбитальная платформа-шлюз (LOP-G)

Gateway - это космическая станция на лунной орбите, которую разрабатывает НАСА вместе с международными партнерами, включая космические агентства России, Канады, Японии и Европы. Шлюз роль состоит в том, чтобы поддерживать исследование Луны и служить форпостом для возможных миссий на Марс. Различные модули для станции находятся в стадии разработки и, вероятно, в какой-то мере будут использоваться композитные материалы.

В программе Gateway будет использоваться развертываемая солнечная батарея (ROSA), разработанная Исследовательской лабораторией ВВС (AFRL; Дейтон, Огайо, США), и развертываемые космические системы с использованием композитов с высокой деформацией (HSC). HSC - это тонкие и легкие композитные материалы, разработанные для размещения в небольших упаковках и развертывания путем разворачивания. В системе ROSA используются две стрелы HSC из углеродного волокна для раскатывания и натяжения одеяла большой солнечной батареи. (Подробнее о HSC).

Еще один потенциальный вклад в Gateway - Canadarm-3. Предложенное Канадским космическим агентством (Лонгёй, Квебек, Канада) устройство представляет собой 8,5-метровую роботизированную руку, построенную из композитных материалов из углеродного волокна. Предыдущие системы Canadarm использовались на космических челноках и Международной космической станции (МКС).

Лунные аппараты

Многие компании работают над концепциями системы посадки на Луну для Artemis . , все из которых включают потенциал для композитных материалов. Например, Blue Origin (Кент, Вашингтон, США) сотрудничает с Lockheed Martin, Northrop Grumman (Фолс-Черч, Вирджиния, США) и Draper (Кембридж, штат Массачусетс, США) в рамках предлагаемой системы посадки на Луну с тремя транспортными средствами: Голубая луна из Blue Origin лунный посадочный модуль, аппарат "Transfer Element", предоставленный Northrop Grumman, который будет позиционировать систему посадки на лунной орбите, и аппарат "Ascent Element", предоставленный Lockheed Martin, который будет возвращать астронавтов на лунную орбиту с поверхности Луны. Система наведения на снижение и бортовое радиоэлектронное оборудование будут предоставлены Draper. Несколько других компаний, работающих над концепциями лунных посадочных модулей, включают Boeing, Dynetics, SpaceX и Sierra Nevada Corp. (Луисвилл, Колорадо и Мэдисон, Висконсин, США).

Помимо лунных спускаемых аппаратов с экипажем, НАСА предвидит потребность в лунных спускаемых аппаратах малого и среднего размера, которые позволят проводить разнообразные научные исследования и демонстрационные полезные нагрузки больших технологий.

Костюмы Артемиды

В октябре 2019 года НАСА представило два новых дизайна скафандров - новый исследовательский модуль для передвижения в открытом космосе (xEMU) и скафандр Orion Crew Survival System (OCSS), оба из которых будут использоваться для Artemis программа полетов на Луну.

Сообщается, что костюм xEMU предлагает значительно улучшенный диапазон мобильности по сравнению с костюмами, которые в настоящее время используются для работы в открытом космосе. Согласно ILC Dover (Фредерика, Делавэр, США), который имеет давние отношения с НАСА, производящим скафандры, костюм xEMU является обновлением передового прогулочного костюма, доставленного в НАСА в 2016 году и известного как Z-2.

«С 2016 года ILC Dover продолжает совершенствовать дизайн костюмов для ходьбы, а также костюмов с нулевым ускорением и костюмов для обеда», - говорит Дэн Клопп, менеджер по маркетингу продуктов ILC Dover.

Прототип скафандра Z-2 отличается дизайном туловища и бедер из карбона / эпоксидной смолы. (Подробнее об использовании композитных материалов в скафандрах см. «На Марсе не любой костюм».)

Скафандр OCSS НАСА спроектирован как герметичный скафандр для запуска и входа в Орион члены экипажа. Хотя НАСА не опубликовало подробную информацию о материалах новой конструкции, можно с уверенностью сказать, что в ней задействовано изрядное количество композитов. Стартовые и входные костюмы эпохи шаттлов имели внешний слой огнестойкого метаарамидного номекса DuPont (Ричмонд, Вирджиния, США). Предыдущие единицы внекорабельной мобильности (EMU) использовали комбинации Nomex, параарамидного кевлара (также разработанного DuPont) и Gore-Tex, водонепроницаемой, дышащей тканевой мембраны, производимой W.L. Gore &Assoc. (Ньюарк, Делавэр, США) (Подробнее ...)

Марс

Большая часть Artemis Инициатива создает основу для отправки людей на Марс. Тем временем НАСА также работает над беспилотной миссией на Марс этим летом, в ходе которой на Красной планете будут установлены новый роботизированный вездеход и роботизированный исследовательский вертолет.

Аэрооболочка в форме капсулы защитит марсоход Mars 2020 во время входа в атмосферу Марса и приземления. Аэрооболочка изготовлена ​​из алюминиевых сот с обшивкой из углеродного волокна. Тепловой экран использует плиточную систему термозащиты из угольного аблятора с фенольной пропиткой (PICA).

Сам марсоход Mars 2020 имеет примерно 10 футов в длину, 9 футов в ширину и 7 футов в высоту (3 метра в длину, 2,7 метра в ширину, 2,2 метра в высоту). Хотя НАСА не опубликовало подробностей о материалах, использованных для создания марсохода, известно, что Advanced Composites Training (ACT, Лондон, Онтарио, Канада) служил консультантом Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL, Пасадена, Калифорния, США). ) об использовании композитных материалов при постройке марсохода Mars 2020 (Подробнее).

При весе 2314 фунтов (1050 кг) марсоход будет весить меньше, чем средний компактный автомобиль. Он должен быть легким и прочным для путешествия на красную планету, а также должен быть достаточно прочным, чтобы нести камеры и научные инструменты, а также вертолет Mars - еще один корабль с интенсивным использованием композитов, который будет использоваться для исследования планеты. .

Вертолет Mars состоит из более чем 1500 отдельных кусков углеродного волокна, летного алюминия, кремния, меди, фольги и пены и весит не более 4 фунтов (1,8 кг) (Подробнее).

Солнце

В настоящее время выполняются две миссии по улучшению нашего понимания Солнца и его поведения, конечная цель обеих - прогнозирование солнечных бурь, которые могут повлиять на наземные электрические системы, спутниковую связь и GPS.

Солнечный зонд Parker

Солнечный зонд Паркера запущен в августе 2018 года и выполняет измерения на месте и создает изображения для изучения короны солнца и солнечного ветра. Чтобы выдерживать экстремальные температуры в этой области, датчик использует легкий отражающий экран толщиной 4,5 дюйма. Эта система термозащиты (TPS) изготовлена ​​из композитного пенопласта из углеродного волокна, зажатого между двумя углеродными ламинатами и покрытого белой керамической краской на солнечной поверхности. Экран был разработан Лабораторией прикладной физики Джона Хопкинса (Лорел, Мэриленд, США) и построен в Carbon-Carbon Advanced Technologies (Кеннедейл, Техас, США).

Большинство инструментов зонда спрятано за TPS, а датчики по краю теплового экрана обеспечивают правильное положение космического корабля. Солнечные батареи, которые используются для питания корабля, могут быть убраны в тень теплового экрана для защиты. Простая система охлаждения, которая работает за счет циркуляции около галлона воды, также используется для охлаждения солнечных батарей и приборов.

В январе 2019 года НАСА сообщило, что Parker Solar Probe работал в соответствии с проектом после четвертого сближения с Солнцем, известного как перигелий. TPS корабля достигла нового рекордного значения температуры в 1134º F (612º C), хотя космический корабль и инструменты за этим защитным теплозащитным экраном оставались при температуре около 85º F (30º C). Во время ближайших трех перигелиев космического корабля в 2024-2025 годах температура на TPS составит около 2 500 ° F (1370 ° C).

Solar Orbiter

Solar Orbiter - совместная миссия Европейского космического агентства (ЕКА) и НАСА, запущенная в феврале 2020 года. Орбитальный аппарат движется по уникальной траектории, которая позволит его комплексному набору инструментов получить первые в истории изображения полюсов Солнца.

Космический корабль защищен солнечным экраном из углеродного волокна и слоистого титана с отверстиями для различных инструментов. Тепловой экран весом 324 фунта выдерживает температуру до 970 ° F (521 ° C) и использует слой титановой фольги толщиной 0,05 мм для отражения тепла. Щит поддерживается опорной панелью размером 2,94 на 2,56 метра и толщиной около 5 сантиметров, изготовленной из легких алюминиевых сот с двумя обшивками из углеродного волокна с высокой теплопроводностью. Дополнительную защиту обеспечивает многослойная изоляция, способная выдерживать 572º F (300 ° C). Тепловой экран Solar Orbiter покрыт тонким черным слоем фосфата кальция.

За пределами солнечной системы

В августе 2019 года инженеры на объектах Northrop Grumman в Редондо-Бич, Калифорния, США, механически соединили элемент оптического телескопа космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), который включает в себя зеркало и научные инструменты, и элемент космического корабля, который сочетает в себе элементы JWST. солнцезащитный экран и космический корабль, впервые. Хотя оба компонента телескопа были протестированы по отдельности, это первый раз, когда две половины были объединены в одну обсерваторию. Эта веха была важной для Уэбба, поскольку телескоп приближался к запланированному запуску в 2021 году.

JWST - самый мощный и сложный космический телескоп из когда-либо построенных - в 100 раз мощнее телескопа Хаббла. Созданный для исследования космоса с использованием инфракрасного света, телескоп позволит астрономам наблюдать самые далекие объекты во Вселенной, обеспечивая изображения далеких звезд, экзопланет и первых образовавшихся галактик. Телескоп также является захватывающим примером того, как композиты позволяют использовать спутники и космические корабли.

Платформа телескопа состоит из трех основных компонентов - элемента оптического телескопа (OTE), интегрированного модуля научных приборов (ISIM) и элемента космического корабля (SCE), который включает автобус космического корабля и солнцезащитный козырек размером с теннисный корт.

JWST использует объединительную панель из углеродного волокна для поддержки зеркал, инструментов и других элементов телескопа - всего более 2400 кг (2,5 тонны) оборудования. Эта конструкция также отвечает за поддержание устойчивости телескопа в течение длительных периодов сбора света. Объединительная плата не может отклоняться более чем на 38 нанометров, несмотря на экстремальные температуры в диапазоне от -406 ° F до -343 ° F (от -243 ° C до -208 ° C).

Объединительная плата изготовлена ​​из препрега, состоящего из углеродного волокна, поставляемого Toray Advanced Composites, и смолы на основе цианатного эфира от Hexcel (Стэмфорд, Коннектикут, США). В состав конструкции входит более 10 000 деталей из легкого композитного углеродного волокна. Вся конструкция объединительной платы включает центральную секцию, узлы крыла и опорное приспособление объединительной платы (BSF) и имеет размеры примерно 24 фута в высоту, 19,5 футов в ширину и более 11 футов в глубину (7,3 на 5,9 на 3,4 метра) в полностью развернутом состоянии. Он весит всего 2180 фунтов (989 кг), но вмещает инструменты весом более 7300 фунтов (3311 кг) - полезная нагрузка составляет более 300% от его собственного веса.

В дополнение к конструкции главного зеркала и объединительной платы, OTE JWST включает в себя развертываемую башню в сборе (DTA), опорную конструкцию вторичного зеркала и каркас ISIM, в котором размещаются научные инструменты и системы охлаждения телескопа. Эти структуры сделаны из препрега из сверхвысокомодульного углеродного волокна и смолы на основе цианатного эфира от Toray Advanced Composites.

«Эти материалы являются очень хорошими материалами для оптических столов», - говорит Шон Джонсон, менеджер по продукции термореактивных материалов Toray. «Высокая жесткость волокна UHM обеспечивает очень стабильную структуру [и] обеспечивает определенное демпфирование. Он очень хорош при низких температурах, [JWST] увидит ».

SCE, или автобус космического корабля, также сделан из композитов Toray из углеродного волокна и содержит двигательную установку космического корабля, системы поддержки обсерваторий, солнечную энергию, системы активного охлаждения и средства связи. Автобус должен быть одновременно легким, но в то же время способным выдерживать нагрузку, эквивалентную 45 тоннам, при одновременной поддержке обсерватории во время запуска.

В октябре 2019 года JWST успешно прошел тестирование развертывания солнцезащитного экрана, и в настоящее время его запуск запланирован на 2021 год (подробнее).

Гигантский прыжок

Следующие несколько лет заложат основу для совершенно новой эры освоения космоса. По мере того как космические корабли и системы, необходимые для этого нового золотого века, продолжают развиваться, поставщики и производители композитов будут постоянно сталкиваться с проблемами, требующими вывода материалов и технологий на новые горизонты.