Как композитные материалы сформировали космическую разведку

20 июля 2019 года отмечало 50-летие первой посадки Apollo на Луну. Хотя на момент построения капсулы Apollo отрасль композитов была еще в зачаточном состоянии и материалы еще не были в широком использовании, капсула Apollo использовала раннюю композитную технологию в виде абразивного теплового щита из Avcoat, эпоксидной новолаковой смолы с кремнеземными волокнами в матрице сотовой структуры из стекловолокна-фенола. Стекловолокнистая сота была склеена к первичной структуре, а пастообразный материал впрыскивался в каждую ячейку индивидуально. С Apollo передовые композиты эволюционировали шагами и играли значительную роль в космических программах с использованием в ракетах-носителях, космическом шаттеле, спутниках, космических телескопах и Международной космической станции.

Сегодня человечество оказывается готовым к некоторым захватывающим новым шагам в космической разведке. Текущая администрация призвала к возвращению на Луну американскими астронавтами к 2024 году и анонсировала бюджет 2021 года более $25 млрд для программы человеческой космической разведки Национального управления аэронавтикой и космическим пространством (NASA, Вашингтон, округ Колумбия, США). Администратор NASA Джим Брайденстайн говорит, что бюджет — «один из самых сильных бюджетов в истории NASA».

Помимо еще одного полет на Луну, NASA имеет текущие и грядущие миссии для изучения нашей солнечной системы от Солнца до ледяных лун внешних планет и далее. Миссии для изучения Солнца сейчас идут: на момент написания Parker Solar Probe в настоящее время мониторит атмосферу Солнца, и Solar Orbiter успешно запустился. Усилия также идут для дальнейшего исследования экзопланет и далеких галактик через миссию Транзитного экзопланетного обзорного спутника (TESS) и телескопа Джеймса Уэбба, который сделал шаги к готовности к запуску за прошлый год.

Новые космические аппараты и программы также появились в последние годы от усиленного сотрудничества между национальными и международными космическими агентствами, а также коммерческими компаниями. Например, SpaceX (Хоторн, штат Калифорния, США) с космическим кораблем Crew Dragon и Boeing Space and Launch (Арлингтон, штат Вирджиния, США) с космическим кораблем Starliner соревнуются к первому пилотируемому американскому космическому полету с момента прекращения программы космического шаттла в июле 2011 года. Две компании выполняют тестовые полеты с NASA в надежде на пилотируемую миссию в 2021 году.

От усиленной поддержки космической программы NASA до взрывного роста коммерческого космоса, человечество кажется действительно готовым к следующему великому космическому веку. Композиты и передовые материалы играют все большую роль в производстве носителей, космических аппаратов и приборов, делающих все это исследование возможным.

Луна

Надпрограмма возврата людей на Луну названа в честь Артемиды, греческой богини луны и охоты, близнеца Аполлона — и масштаб программы огромен. Artemis создаст лунную орбитальную базу, позволяя астронавтам не только дальше исследовать Луну, но и использовать Луну как базу для будущих миссий на Марс. Несколько проектов составляют программу Artemis, включая новую тяжелую ракету-носитель Space Launch System (SLS), пилотируемый корабль Orion, лунную орбитальную станцию Gateway и лунный посадочный модуль. Передовые композиты учитываются во всех этих компонентах так или иначе.

Тяжелый носитель. Ступень ракеты SLS готовится к отгрузке. Источник | NASA

Space Launch System (SLS)

Новый тяжелый носитель NASA нацелен на обеспечение исследования за пределами орбиты Земли. В 2015 году NASA инвестировала в автоматическую укладку волокон (AFP) Electroimpact (Мукльтео, штат Вашингтон, США) для производства крупномасштабных ракетных деталей, включающих сэндвич-структуры более 8 метров в диаметре из углеродных кож с алюминиевым сотовым сердечником. Голова AFP держит до 16 катушек углеродного волокна и позиционируется на конце 21-футового роботизированного манипулятора, который укладывает волокна на инструментальную поверхность в точных узорах для формирования структур вариативных форм и размеров.

Подобные сэндвич-структуры создаются RUAG Space (Декатур, штат Алабама, США) с использованием ручного процесса укладки. Компания работает с Dynetics (Хантсвилл, штат Алабама, США) над Универсальным адаптером ступени (USA), который соединит верхнюю ступень SLS с пилотируемым модулем Orion. RUAG Space изготовит оболочку адаптера диаметром 8,4 метра, включающую четыре четверть-панели композитного сотового сердечника, которые будут горяче-склеены вместе (Узнайте больше).

Многоцелевой пилотируемый корабль Orion

Состоящий из командного модуля, изготовленного Lockheed Martin (Беттесда, штат Мэриленд, США) и служебного модуля, предоставленного Европейским космическим агентством (ESA, Париж, Франция) и изготовленного Airbus Defence and Space (Оттобрунн, Германия), Orion — сердце программы Artemis и перевезет астронавтов в космос, будет служить исследовательским транспортным средством во время космического полета и вернет экипаж на Землю.

Пропульсивная система Orion включает многочисленные компоненты, изготовленные Aerojet Rocketdyne (Сакраменто, штат Калифорния, США), включая восемь бипропеллантных вспомогательных двигателей тягой 110 фунтов на основе семейства двигателей R-4D Aerojet Rocketdyne. Aerojet Rocketdyne также обеспечивает двигатель сброса системы аварийного спасения при запуске (LAS) и композитные перемотанные сосуды под давлением для космического корабля. В начале 2020 года Aerojet Rocketdyne установила машину для намотки углеродного волокна для производства корпусов твердотопливных ракетных двигателей (Узнайте больше).

Для повторного входа Orion использует углеродно-волокнистый тепловой щит диаметром 5 метров, изготовленный Lockheed Martin, который производится как сэндвич-структура с углеродными кожами и титановым сотовым сердечиком. Тепловой щит затем покрывается панелями Avcoat — тем же абразивным материалом, использованным для миссий Apollo (Узнайте больше).

Четыре компрессионные подушки абразивного материала прикрепляются к тепловому щиту титановыми болтами в точках, где командный модуль стыкуется с служебным модулем. Компрессионные подушки должны выдерживать структурные нагрузки при запуске и подъеме, а также пирошок (от взрывных болтов) при разделении двух модулей. Они также должны соответствовать требованиям повторного входа к высокотемпературной стойкости и абразии. Углеродно-волокнистые/феноловые подушки использовались на первом тестовом пилотируемом аппарате Orion, но показали признаки межслойных трещин после полета и были заменены 3D-сплетенным решением, известным как 3D Multifunctional Ablative TPS (3D-MAT), использующим 3D-сплетенный кварцевый материал от Bally Ribbon Mills (Балли, штат Пенсильвания, США) и систему цианатированной смолы от Toray Advanced Composites (Узнайте больше).

Лунная орбитальная платформа-Gateway (LOP-G)

Gateway — лунная орбитальная станция, разрабатываемая NASA вместе с международными партнерами, включая российское, канадское, японское и европейское космические агентства. Роль Gateway — поддерживать исследование Луны и служить базой для будущих миссий на Марс. Различные модули для станции в разработке и, вероятно, будут использовать композитные материалы в какой-то форме.

Развертываемая солнечная батарея (ROSA), разработанная Лабораторией авиационных исследований (AFRL; Дайтон, штат Огайо, США) и Deployable Space Systems с использованием композитов с высокой деформацией (HSC), будет использована в программе Gateway. HSC — тонкие, легкие композитные материалы, спроектированные для помещения в малые упаковки и развертывания путем развертывания. Система ROSA использует два углеродно-волокнистых HSC бума для развертывания и натяжения большой солнечной батареи (Узнайте больше о HSC).

Еще один потенциальный вклад в Gateway — Canadarm-3. Предложенный Канадским космическим агентством (Лонгёль, Квебек, Канада), прибор — 8,5-метровый роботизированный манипулятор, построенный из углеродно-волокнистых композитов. Предыдущие системы Canadarm использовались на космическом шаттле и Международной космической станции (МКС).

Лунные посадочные модули

Множество компаний работают над концепциями лунных посадочных систем для Artemis, все из которых включают потенциал композитных материалов. Например, Blue Origin (Кент, штат Вашингтон, США) партнерится с Lockheed Martin, Northrop Grumman (Фоллс-Черч, штат Вирджиния, США) и Draper (Кембридж, штат Массачусетс, США) на предложенной трехтранспортной лунной посадочной системе: лунный посадочный модуль Blue Moon Blue Origin, «Транспортный элемент», предоставляемый Northrop Grumman, который позиционирует посадочную систему на лунной орбите, и «Восходящий элемент», предоставляемый Lockheed Martin, который вернет астронавтов на лунную орбиту с поверхности Луны. Система спуска и авионику полета обеспечит Draper. Несколько других компаний работают над концепциями лунных посадочных модулей, включая Boeing, Dynetics, SpaceX и Sierra Nevada Corp. (Луисвилл, штат Колорадо и Мэдисон, штат Висконсин, США).

Помимо пилотируемых лунных посадочных модулей, NASA предвидит потребность в малых и средних лунных посадочных модулях для обеспечения различных научных исследований и больших демонстрационных полезных нагрузок.

Скафандры Artemis

В октябре 2019 года NASA представила две новые конструкции скафандров — новый Exploration Extravehicular Mobility Unit (xEMU) и скафандр Orion Crew Survival System (OCSS) — оба будут использоваться для лунных миссий программы Artemis.

Скафандр xEMU, как сообщается, предлагает значительно улучшенный диапазон подвижности по сравнению со скафандрами, используемыми в настоящее время для выходов в открытый космос (EVA). По словам ILC Dover (Фредерика, штат Делавэр, США), имеющего долгие отношения с NASA по производству скафандров, скафандр xEMU — обновление передово ходячего скафандра, доставленного NASA в 2016 году, известного как Z-2.

«С 2016 года ILC Dover продолжает улучшать дизайн ходячих скафандров, а также скафандров нулевой гравитации и стартовых скафандров», — говорит Дэн Клопп, продуктовый маркетинг ILC Dover.

Прототип скафандра Z-2 включает углеродно-эпоксидные торс и бедренные элементы в дизайне. (См. «На Марсе не подойдет любой скафандр» для большего о композитах в скафандрах.)

Скафандр NASA OCSS спроектирован как герметичный стартово-посадочный скафандр для членов экипажа Orion. Хотя NASA не раскрыла детали материалов в новом дизайне, безопасно предположить, что 상당한 количество композитов задействовано. Эра шаттла стартовые и посадочные скафандры имели внешний слой из мета-арамида Nomex DuPont (Ричмонд, штат Вирджиния, США). Предыдущие Extravehicular Mobility Units (EMU) использовали комбинации Nomex, пара-арамида Kevlar (также разработанного DuPont) и Gore-Tex, водонепроницаемой дышащей тканевой мембраны, производимой W.L. Gore & Assoc. (Ньюарк, штат Делавэр, США) (Узнайте больше).

Марс

Большая часть инициативы Artemis — подготовка этапа для отправки людей на Марс. Тем временем NASA также работает над непилотируемой миссией на Марс этим летом, которая установит новый робот-роувер и исследовательский вертолет на Красной планете.

Капсулообразная аэродинамическая оболочка защитит ровер Mars 2020 при входе в атмосферу Марса и посадке. Аэродинамическая оболочка сделана из алюминиевой соты с углеродными кожами. Тепловой щит использует плиточную фенол-импрегнированную углеродную абразивную (PICA) систему термозащиты.

Сам ровер Mars 2020 составляет 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 NASA не раскрыла детали о материалах, использованных для построения ровера, известно, что Advanced Composites Training (ACT, Лондон, Онтарио, Канада) выступала консультантом Лаборатории реактивного движения NASA (JPL, Пасадена, штат Калифорния, США) по использованию композитных материалов для построения ровера Mars 2020 (Узнайте больше).

Весом 2314 фунтов (1050 кг), ровер будет весить меньше среднего компактного автомобиля. Он должен быть легким и долговечным для путешествия на Красную планету, и также должен быть достаточно сильным, чтобы нести камеры и научные приборы, а также Марсианский вертолет — еще один композит-интенсивный аппарат, который будет использоваться для исследования планеты.

Марсианский вертолет состоит из более чем 1500 отдельных деталей из углеродного волокна, авиационного алюминия, кремния, меди, фольги и пены и весит не более 4 фунтов (1,8 кг) (Узнайте больше).

Солнце

Две миссии в настоящее время идут для улучшения нашего понимания Солнца и его поведения, обе с конечной целью прогнозирования солнечных бурь, которые могут влиять на наземные электрические системы, спутниковые связи и GPS.

Parker Solar Probe

Parker Solar Probe запущен в августе 2018 года и выполняет in-situ измерения и изображения для изучения короны Солнца и солнечного ветра. Для выносливости экстремальных температур в этом регионе зонд использует 4,5-дюймовый легкий отражательный щит. Эта система термозащиты (TPS) сделана из углеродно-волокнистой пены, помещенной между двумя углеродными ламинатами и покрытой белой керамической краской на стороне, обращенной к Солнцу. Щит спроектирован Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (Лаурел, штат Мэриленд, США) и построен в Carbon-Carbon Advanced Technologies (Кеннедал, штат Техас, США).

Большинство приборов зонда спрятаны за TPS, и датчики вдоль края теплового щита держат космический аппарат правильно позиционированным. Солнечные батареи, используемые для питания аппарата, могут втягиваться в тень теплового щита для защиты. Простая система охлаждения, работающая за счет циркуляции примерно галлона воды, также используется для охлаждения солнечных батарей и приборов.

В январе 2019 года NASA сообщила, что Parker Solar Probe работала как спроектирован после своего четвертого близкого приближения к Солнцу, известного как перигелий. TPS зонда достигла новую рекордную температуру 1134 °F (612 °C), хотя космический аппарат и приборы за этим защитным тепловым щитом оставались при температуре около 85 °F (30 °C). В течение трех ближайших перигелиев в 2024–25 годах TPS будет видеть температуры около 2500 °F (1370 °C).

Solar Orbiter

Solar Orbiter, совместная миссия между Европейским космическим агентством (ESA) и NASA, запущена в феврале 2020 года. Орбитер на уникальной траектории, которая позволит его комплекту приборов предоставить первые изображения полюсов Солнца.

Космический аппарат защищен углеродно-волокнистым/титановым слоистым солнечным щитом с апертурами для различных приборов. 324-фунтовый тепловой щит может выдерживать до 970 °F (521 °C) и использует 0,05-мм слой титановой фольги для отражения тепла. Щит поддерживается панелью поддержки 2,94×2,56 метра, толщиной около 5 см, сделанной из легкого алюминиевого сотового сердечника с двумя высокотеплопроводными углеродно-волокнистыми кожами. Дополнительная защита обеспечивается многослойной изоляцией, способной выдерживать 572 °F (300 °C). Солнечный щит Solar Orbiter покрыт тонким черным слоем фосфата кальция.

За пределами солнечной системы

В августе 2019 года инженеры на объектах Northrop Grumman в Редондо-Бич, штат Калифорния, США, механически соединили Оптический телескопический элемент Телескопа Джеймса Уэбба (JWST), включающий зеркало и научные приборы, и Элемент космического аппарата, объединяющий солнцезащитный экран JWST и космический аппарат, впервые. Хотя оба компонента телескопа были протестированы индивидуально, это событие стало первым объединением двух половин в единый обсерваторий. Эта веха была важной для Уэбба, поскольку телескоп приближается к плановому запуску в 2021 году.

JWST — самый мощный и сложный космический телескоп когда-либо построенный — в 100 раз мощнее телескопа Хаббл. Проектированный для исследования космоса с использованием инфракрасного света, телескоп позволит астрономам наблюдать самые далекие объекты во Вселенной, предоставляя изображения далеких звезд, экзопланет и первых образованных галактик. Телескоп также захватывающий пример того, как композиты позволяют спутникам и космическим аппаратам.

Платформа телескопа состоит из трех основных компонентов — Оптического телескопического элемента (OTE), Интегрированного модуля научных приборов (ISIM) и Элемента космического аппарата (SCE), включающего космическую шину и теннисный корт по размеру солнцезащитный экран.

JWST использует углеродно-волокнистый бэкплейн для поддержки зеркал телескопа, приборов и других элементов — в сумме более 2400 кг (2,5 тонны) оборудования. Структура также отвечает за удержание телескопа стабильным в течение длительных периодов сбора света. Бэкплейн не может варьироваться более чем на 38 нанометров при экстремальных температурах от -406 °F до -343 °F (-243 °C до -208 °C).

Бэкплейн сделан из препрега, включающего углеродное волокно от Toray Advanced Composites и цианатированную смолу от Hexcel (Стэмфорд, штат Коннектикут, США). Структура включает более 10 000 легких композитных деталей из углеродного волокна. Весь бэкплейн включает центральную секцию, крыльевые сборки и опорную конструкцию бэкплейна (BSF), и измеряет примерно 24 фута в высоту на 19,5 фута в ширину на более 11 футов в глубину (7,3 на 5,9 на 3,4 метра) в полностью развернутом состоянии. Он весит только 2180 фунтов (989 кг), но будет поддерживать приборы весом более 7300 фунтов (3311 кг) — полезную нагрузку более 300% своего веса.

Помимо первичного зеркала и структуры бэкплейна, OTE JWST включает его Развертываемую башенную сборку (DTA), структуру поддержки вторичного зеркала и рамку ISIM, содержащую научные приборы телескопа и системы охлаждения. Эти структуры сделаны с препрегом ультравысокомодульного углеродного волокна и цианатированной смолы от Toray Advanced Composites.

«Эти материалы — очень хорошие материалы для оптических скамей», — говорит Шон Джонсон, продуктовый менеджер термореактивных материалов Toray. «Высокая жесткость УВМ волокна обеспечивает очень стабильную структуру [и] обеспечивает определенное количество демпфирования. Очень хорошо при низких температурах, которые [JWST] увидит».

SCE, или космическая шина, также сделана из углеродно-волокнистых композитов Toray и содержит пропульзию космического аппарата, системы поддержки обсерватории, солнечную энергию, активные системы охлаждения и коммуникации. Шина должна одновременно быть легкой, но способной выдерживать силу, эквивалентную 45 тоннам, поддерживая обсерваторию при запуске.

В октябре 2019 года JWST успешно прошел тесты развертывания солнцезащитного экрана и в настоящее время запланирован к запуску в 2021 году (Узнайте больше).

Гигантский скачок

Следующие несколько лет установят сцену для совершенно нового века космической разведки. По мере того как космические аппараты и системы, необходимые для этого нового золотого века, продолжают эволюционировать, поставщики и изготовители композитов будут постоянно вызваны толкать материалы и технологии к новым пределам.