Kāpēc alumīnijs ir visur kosmosa kuģos
Katrs kosmosa kuģa masas kilograms tiek tieši pārvērsts palaišanas izmaksās, tāpēc vispirms tiek izvēlēti materiāli, ņemot vērā to stiprības{0}}un-svara attiecību. Alumīnija blīvums ir aptuveni 2,7 g/cm3, kas ir aptuveni viena trešdaļa tērauda blīvuma, savukārt termiski apstrādāti sakausējumi nodrošina stiepes izturību, kas ir salīdzināma ar konstrukciju tēraudam. Šī kombinācija ļauj inženieriem uzbūvēt lielas, stingras konstrukcijas, piemēram, degvielas tvertnes, lietderīgās kravas adapterus un satelīta kopņu rāmjus, izmantojot nelielu daļu no tērauda ekvivalenta masas. Alumīnijs ir arī izturīgs pret koroziju, labi vada siltumu un iztur atkārtotu termisko ciklu starp tiešiem saules stariem un ēnu, ko piedzīvo kosmosa aparatūra, tāpēc tas ir bijis noklusējuma konstrukciju metāls kopš pirmajiem satelītiem un joprojām ir mūsdienu nesējraķešu un kosmosa kuģu galvenā loma.
Kādi alumīnija sakausējumi tiek izmantoti kosmosā?
Dažādām kosmosa kuģa daļām ir vajadzīgas dažādas sakausējuma īpašības. Kriogēno degvielu tvertnēs plaši izmanto alumīnija-vara sakausējumus, piemēram, 2219, jo tie saglabā savu stingrību un izturību ārkārtīgi zemās šķidrā skābekļa un ūdeņraža temperatūrās. Ļoti noslogotām konstrukciju sastāvdaļām 7xxx alumīnija-cinka sakausējumi, piemēram, 7075, nodrošina visaugstāko stiprības-un-svara attiecību un labu bojājumu toleranci. Vispārējai konstrukcijai un armatūrai 6061 piedāvā uzticamu izturības, metināmības un izturības pret koroziju līdzsvaru. Alumīnija -litija sakausējumi, kas samazina blīvumu par vairākiem procentiem, arvien vairāk tiek izmantoti nesējraķetēs, un 5xxx alumīnija-magnija sakausējumi joprojām ir izplatīti tvertnēs un spiediena konstrukcijās to izturības pret koroziju un formējamības dēļ. Konkrētais sakausējums un rūdījums vienmēr tiek izvēlēti, ņemot vērā komponenta slodzes gadījumu un termisko vidi.
Alumīnijs kā starojuma un mikrometeoroīdu ekranējums
Kosmoss ir piepildīts ar briesmām, kas uz Zemes nepastāv. Mikrometeoroīdi pārvietojas ar ātrumu daudzi kilometri sekundē un var caurdurt plānas struktūras, tāpēc kosmosa kuģu apvalki izmanto alumīnija slāņus, kas sadala vai novirza mazās daļiņas, pirms tās sasniedz kritiskās sistēmas. Alumīnijs nodrošina arī noderīgu pirmo aizsardzības līniju pret radiāciju: tā mērenais atomu skaits mijiedarbojas ar zemas -līdz-vidējas enerģijas uzlādētām daļiņām, piemēram, saules protoniem, samazinot devu, kas nonāk apkalpē un elektronikā. Ekranēšana parasti tiek veidota kā daudzslāņu sistēma ar alumīnija konstrukcijas sienām, ko papildina polimēru slāņi un ar ūdeņradi bagāti materiāli, kas absorbē sekundāro starojumu. Tā kā korpuss jau ir alumīnijs, konstrukcijas masa veic dubultu aizsargfunkciju, kas ļauj izvairīties no lielas kravnesības, ko rada īpašie radiācijas vairogi.
Alumīnija izaicinājumi kosmosā
Alumīnijs nav bez ierobežojumiem kosmosa vidē. Ilgstoša kosmiskā starojuma iedarbība ļoti ilgu misiju laikā var pakāpeniski pasliktināt mehāniskās īpašības. Ekstrēma termiskā cikliskums izraisa izplešanos un saraušanos, kas jāpārvalda, izmantojot kopīgu dizainu. Mikrometeoroīdu triecieni var iespiest vai caurdurt salīdzinoši mīkstas alumīnija virsmas, tāpēc tiek izmantoti aizsargslāņi un Whipple{3}}stila bufera koncepcijas. Zemā Zemes orbītā atomu skābeklis uzbrūk alumīnija virsmām, erodējot aizsargājošo oksīda slāni, tāpēc ārējās virsmas bieži saņem aizsargpārklājumus. Vakuumā tukšas metāla virsmas, kas saskaras, var saaugt kopā-, tāpēc ir nepieciešama kustīgo daļu eļļošana vai virsmas apstrāde. Šos faktorus labi izprot un pārvalda kosmosa kuģu dizaineri, taču tie izskaidro, kāpēc alumīnijs tiek kombinēts ar citiem materiāliem, nevis izmantots atsevišķi visprasīgākajās vietās.
Alumīnijs un ilgtspējīga kosmosa izpēte
Raugoties nākotnē, alumīnija pārstrādājamība padara to pievilcīgu ilgtspējīgām kosmosa programmām. Struktūras, kas atgrieztas uz Zemes vai atgūtas no deorbīta, var tikt pārstrādātas, ietaupot lielu enerģiju, un ir paredzams, ka nākotnē Mēness vai Marsa bāzes izmantos in situ resursus, un alumīnijs ir viens no vietējiem ražošanas materiāliem. Viegls svars joprojām ir galvenais virzītājspēks: katrs projektēšanas stadijā ietaupītais kilograms samazina degvielas patēriņu, palielina lietderīgo slodzi un paplašina darbības diapazonu. Samazinoties palaišanas izmaksām un vairojoties misijām, alumīnija sakausējumi turpina attīstīties, uzlabojot izturēšanos un litija{4}}saturības, kas vēl vairāk palielina izturību-līdz-svaram.
Bieži uzdotie jautājumi
J: Kāpēc kosmosa kuģiem priekšroka tiek dota alumīnijam, nevis tēraudam?
Alumīnija izturības-un-svara attiecība ir izcila, un katrs ietaupītais kilograms samazina palaišanas izmaksas. 6061, 2219 un 7075 sakausējumi ir primārās konstrukcijas, degvielas tvertņu un paneļu standarta komplektācijā.
J: Kurš alumīnija sakausējums tiek izmantots raķešu degvielas tvertnēm?
2219 un 2195 alumīnija-litija sakausējumi ir klasiski tvertņu sakausējumi kriogēnajām degvielām. Sakausējums saglabā izturību un stingrību -253 C šķidrā ūdeņraža temperatūrā.
J: Vai alumīnijs bloķē starojumu kosmosā?
Alumīnijs nodrošina daļēju ekranējumu: apmēram 3 līdz 10 g uz kvadrātcentimetru alumīnija ievērojami samazina kosmisko starojumu, tāpēc kosmosa kuģu sienas no 2 līdz 5 mm alumīnija ir galvenais vairogs. Dziļās-kosmosa misijas nodrošina papildu aizsardzību.
J: Vai alumīnijs var izturēt telpas galējās temperatūras?
Jā. Alumīnijs saglabājas stiprs no kriogēnas temperatūras līdz aptuveni 150 C, aptverot orbītā esošā kosmosa kuģa seju. Termiskās kontroles pārklājumi un segas pārvalda ekstremālās svārstības.
J: Kas notiek ar alumīniju zemā Zemes orbītā?
Atomu skābeklis lēnām uzbrūk tukšam alumīnijam, veidojot oksīdu, tāpēc kosmosa kuģu virsmas tiek pārklātas vai anodētas. Pats materiāls iztur gadu desmitus, kā redzams uz SKS, kas galvenokārt ir izgatavota no alumīnija.
J: Kas ir alumīnija{0}}litija sakausējums un kāpēc to izmanto kosmosa kuģos?
Alumīnija{0}}litija sakausējumi, piemēram, 2195 un 2099, ir aptuveni par 10 procentiem vieglāki un 10–15 procentiem stingrāki nekā parastie 2xxx un 7xxx sakausējumi. Tie tika izmantoti Space Shuttle ārējai tvertnei, un tagad tie ir paredzēti modernām nesējraķešu tvertnēm un konstrukcijām, lai samazinātu masu.