Силовой корпус — это не просто каркас и обшивка. Он должен выдерживать вибрации при запуске, нести оборудование, передавать нагрузки от креплений и служить основой для солнечных панелей, радиаторов и антенн.
Поэтому материал корпуса приходится выбирать сразу по нескольким параметрам: массе, прочности, жесткости, теплопроводности, электропроводности и способности работать в вакууме.
Разберемся, какие материалы для этого подходят и что из них потенциально можно получить из лунного сырья.
Почему инженеры выбирают алюминий и титан
Алюминий — относительно легкий материал (плотность 2.70 г/см³) с неплохой прочностью (~95 кН·м/кг) и хорошими электрическими и оптическими свойствами[1].
Он хорошо проводит ток — значит заряд не будет излишне накапливаться на поверхности из-за облучения высокоэнергетическими частицами, что снижает вероятность дуговых пробоев. Тут есть только один нюанс — для этого алюминий должен быть чистым, без оксидных пленок, которые меняют свойства поверхности.
Другое важное свойство — полированный алюминий хорошо отражает свет, что может помочь немного снизить нагрев аппарата от солнечного излучения. Это важно как для поддержания геометрических характеристик аппарата, так и для поддержания рабочей температуры приборов внутри корпуса.
Титан — относительно легкий материал (плотность ~4.43–4.51 г/см³) с высокой удельной прочностью (~200–260 кН·м/кг)[1]. У него посредственная электрическая проводимость, поэтому детали из него покрывают проводящими покрытиями или соединяют с другими деталями спутника с помощью заземляющих перемычек.
Титан используют в особо нагруженных и ответственных узлах: помимо высокой удельной прочности, он хорошо выдерживает циклические нагрузки.
Их место в структуре спутника
Как можно было догадаться из свойств материала, алюминий — отличный материал для обшивки спутника[2]. Чаще всего ее делают в виде легких сотовых сэндвич-панелей, которые при минимальной массе обладают очень хорошей жесткостью на изгиб — соты равномерно распределяют нагрузку по всей площади алюминиевых листов.
В случае с титаном, он отлично подходит для силовой трубы, каркаса или самых его нагруженных участков (в местах креплений тяжелых приборов или выносных элементов спутника).
Конфигурация материалов в спутнике сильно зависит от выбранного типа. Однако эти типы — это не строгие ограничения, а скорее ориентиры при проектировании аппарата в зависимости от его задач и условий работы. Условно их можно разделить на следующие схемы:
Каркасная схема спутника — у этого типа обшивка не несет нагрузки, все держит внутренний скелет из легких алюминиевых профилей, а титан используется только локально в нагруженных узлах вроде креплений адаптера ракеты. Это означает свободный доступ к оборудованию, простую сборку и модификацию.
Корпусная структура — у нее силовую функцию несут сами стенки корпуса из листового алюминия или сотовых панелей, а титан идет на силовые окантовки и герметичные фланцы. Типу свойственна высокая жесткость и возможность сделать отсек герметичным.
Ферменно-каркасная схема — разделена на две части. Внутренняя силовая ферма из прочных титановых или алюминиевых трубок нужна для крепления тяжелого оборудования, а внешний корпус из тонких алюминиевых листов берет на себя оставшуюся часть нагрузок. Она создает два параллельных пути для передачи нагрузок, что обеспечивает высокую жесткость и позволяет эффективно распределять массу.
Монококовая конструкция — в данном случае корпус представляет собой цельную неразъемную оболочку из алюминия (выточенную из монолитной поковки), которая воспринимает абсолютно все нагрузки. Титан здесь практически не используют цельно из-за сложности фрезеровки, оставляя его только в точках стыка с ракетой. Такой корпус максимально жесткий при минимальной массе, но есть проблемы со сборкой и обслуживанием.
Каркасно-панельная схема — в ней несущий каркас делают из титана или прочных алюминиевых сплавов, а поверх него крепятся легкие алюминиевые панели, которые выполняют роль монтажных областей.
Схема с центральной силовой трубой — у нее нижний торец трубы стыкуется с адаптером ракеты и передает все нагрузки при выведении. Саму центральную трубу чаще всего делают из титана (или углепластика с титановыми шпангоутами), а уже на нее крепятся алюминиевые приборные полки и внешняя обшивка.
Различное использование материалов у каждой из этой схем напрямую влияет на необходимый объем добычи и сложность технологических процессов изготовления спутника.
Карбон как точка отсчета или минусы композитов
Когда становится задача максимально снизить массу, типичным вариантом становится использование композитных вариантов. Самый распространённый из них карбон.
Он легче металлов (1,8–2,2 г/см³), с высокой удельной прочностью (варьируется в зависимости от структуры от ~140 до ~850 кН·м/кг). Однако прочность его неравномерная, она высокая вдоль волокон и значительно хуже — поперек, потому что при таком направлении почти вся нагрузка ложится не на углеродные связи, а на связующее вещество.
Также связующее является и причиной ограниченных электрических свойств карбона. Сам углерод проводит ток, а связующее — изолятор, что означает неравномерную структуру проводимости. По этой причине детали из углепластика часто покрывают проводящей сеткой (например, из алюминия), чтобы качественно отводить накапливающийся на поверхности заряд.
Помимо прочего, как уже упоминалось в прошлых статьях (статья про солнечные панели), связующее карбона создает еще одну проблему — обезгаживание[2].
Это процесс, когда связующее выделяет растворенные в веществе влагу и газы, после чего они оседают на корпусе спутника, нарушая его электрические свойства, а также на линзах датчиков, стеклах солнечных панелей и корпусах радиаторов, значительно ухудшая эффективность их работы.
Это проблема не только карбона, но и многих полимеров (того же силикона, обладающего выдающейся эластичностью даже при очень низких температурах).
Хорошо, что есть метод минимизировать выделение газов материалами. Для этого используют вакуумный обжиг: детали помещают в вакуумные камеры, в которых их нагревают до температуры 80–150°C и оставляют на несколько суток. Таким образом высокой температурой форсируется процесс обезгаживания в безопасной среде, чтобы материал выделил максимум летучих веществ и в космос полетел уже «сухой».
Как в космосе используется ткань и можно ли от неё отказаться
Вне зависимости от выбранного материала есть проблема нагрева от солнечных лучей. Так как сброс тепла в космосе отдельная большая проблема (статья про радиаторы), не допустить паразитный нагрев изначально — важная задача.
Экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ) отчасти решает этот вопрос[3]. Она состоит из множество слоев и работает на основе двух принципов:
Излучение отражается металлическим (серебряным или алюминиевым) напылением на полимерную основу.
Сетчатые прокладки из шелка или стекловолокна минимизируют площадь контакта между отражающими слоями, создавая вакуумную прослойку. Благодаря этому поглощенное одним слоем тепло почти не передается следующим слоям и, соответственно, корпусу.
Таким образом, слой за слоем, в местах, где присутствует ЭВТИ, тепловое излучение отсекается почти полностью.
Но здесь есть существенные ограничения. Одно из них: ЭВТИ является барьером для ИК излучения, но не для космических частиц, которые заряжают корпус аппарата, приводя к дуговым пробоям. Чтобы их не допустить, необходимо электрически соединить все элементы корпуса, включая каждый из слоев ЭВТИ.
Второе ограничение, уже по части его непосредственной функции защиты от ИК: аппарат нельзя покрыть ЭВТИ полностью. Во-первых, многим датчикам и системам связи нужен обзор на открытый космос, который ЭВТИ экранирует. Во-вторых, наружу физически обязательно выходят:
Радиаторы системы терморегулирования (они должны сбрасывать лишнее тепло в космос, а ЭВТИ как раз задерживает тепло).
Солнечные батареи и механизмы их раскрытия.
Стыковочные узлы, манипуляторы и антенны.
Помимо прочего, в нашем контексте у классического ЭВТИ есть существенный недостаток — для него нужны полимеры и сетки, сырья для изготовления которых на Луне нет.
В статье о конструкции радиаторов ему на замену в контексте тепловых барьеров мною был предложен спеченный лунный реголит с очень низкой теплопроводностью. Однако тепловой барьер для выносных панелей — точечный разделитель в месте крепления, а в нынешнем контексте нужна изоляция всего корпуса.
Решение кроектся в конструкции особых сверхвысокотемпературных ЭВТИ[4]. Уязвимые для высоких температур тканевые сетки и полимеры для них не подходят, такие ЭВТИ работают полностью на геометрии металла.
Отражает излучение у них не покрытие на каптоновой подложке, а фольгированный металл. Разделяет слои для минимальной теплопроводности также вакуум, но точками контакта становятся не тканевые сетки, а тиснение в металле. Для этого фольгу деформируют, создавая точечный профиль (пупырышки или рифленую структуру). Слои касаются друг друга лишь в микроскопических точках, что сводит кондуктивный теплоперенос к минимуму.
Как пружинные сплавы и нитинол влияют на габариты спутника
Защита корпуса — важный параметр, но функциональность зависит и от внешних систем. Тем более, что у крупных спутников часто самая массивная часть — это выносные солнечные и радиаторные панели. И так как от них требуется максимальная площадь, доставить их на орбиту с полным размахом невозможно. Необходимо компактно сложить их под обтекателем для дальнейшего развёртывания с помощью специального механизма.
Часто эти механизмы — это гибкие конструкции, которые сначала держатся на фиксаторах, а потом те «отпускают» и накопленной в пружинах потенциальной энергии хватает, чтобы разложить солнечные или радиаторные панели.
Фиксаторы часто делают из умных материалов[5], что меняют форму при нагреве и освобождают крепления. Классический вариант — нитинол, это сплав из титана и никеля. Титан в реголите уже обсуждали, никеля же куда меньше, но в районах концентрации метеоритного железа его концентрация тоже достаточно высока.
То же самое можно сказать и про материалы для пружин, потому что из 86% железа (содержится в ильмените, как и титан), 12% никеля, 1% алюминия и 1% титана можно сделать сплав для пружин, который сохраняет высокую упругость даже при очень низких температурах.
Выбор механизмов развертывания
Для солнечных батарей и радиаторов оптимальным решением является последовательный ферменный тип (гармошка)[6]. Он надежен и, в отличие от гибких рулонных конструкций, не требует импортных полимерных подложек.
С антеннами, требующими точного поддержания формы (параболоидов), ситуация иная. Вместо надувных мембран (требующих импорта полимеров) или сложных телескопических приводов, для лунных условий лучше подходят упругодеформируемые конструкции из пружинного сплава. Они разворачиваются за счет накопленной энергии деформации, избавляя нас от необходимости использовать импортные смазки (пост на тему у нас в тг), тяжелые моторы и сложные узлы.
Роль алюминия и титана в креплении приборов
Возвращаясь к вопросу устройства непосредственно корпуса спутника нельзя упустить, что хоть сотовые сэндвич-панели отлично работают на изгиб, но они не способны держать точечные вырывающие и сдвиговые нагрузки от оборудования. В тонкой обшивке нельзя нарезать резьбу — при первой же вибрации винт вырвет. Для распределения точечной нагрузки по большому объему панели применяют вклеиваемые металлические втулки с внутренней резьбой — инсерты[7].
В зависимости от типа прикрепляемого прибора они бывают разных типов:
Сквозные — это металлические проставки, которые проходят панель насквозь и опираются на обе силовые обшивки панели. Используются для крепления тяжелых приборов.
Глухие — эти проставки вставляются с одной стороны и задействуют только одну обшивку с прилегающими сотами. Их используют для легких электронных блоков в местах, где доступ с обратной стороны панели ограничен.
Помимо металлических вариантов, для экономии массы еще нередко используют заливку сот полиуретановым компаундом или синтактными пенами.
В случае, если у материала корпуса прибора и материала панели, на которую он крепится, разные индексы температурного расширения, жесткое крепление часто не подходит. Чтобы компенсировать разность термодеформаций материалов, приборы часто крепят на специальных «ножках» из гибкого металла, например, из титана[8]. Они безопасно изгибаются от нагрузки, но зато не позволяют деформироваться панели в местах крепления.
Так из чего делать спутник на Луне?
Разобрав все основные компоненты спутника мы получаем конкретный список материалов: для особо нагруженных и особо ответственных узлов силового корпуса подходит титан, алюминий для базовых (сотовых панелей, инсертов, ЭВТИ), железо нужно как компонент пружинного титанового сплава, никель для нитинола.
Ясное дело, что есть еще некоторое количество неучтенных элементов, несущих значительно меньший вклад в массу. Но целью статьи было определить именно наличие ключевых материалов для создания основы силового корпуса.
Подводя итог, можно сказать, что все перечисленные выше материалы входят в перечень распространенных в лунном реголите. И из них возможно изготовить все основные элементы силового корпуса спутника. Если интересно попробовать разобрать разные их конфигурации и их влияние на массу, можете сделать это у нас в интерактивной модели.
