Űrképes Puli: de miből?
2013.02.04. 10:30
Amikor holdjárónkról beszélünk, mindig hangsúlyozzuk, hogy jelenleg egy földi tesztelésre szánt prototípuson dolgozunk, amit rövidesen például Marokkóban nyúznak majd az osztrákok - mérnökeink aktív részvétele mellett. Ez azonban többségében nem űrkompatibilis anyagokból készült. De milyennek kellene lennie ahhoz, hogy a világűrt, később pedig a Holdat is kibírja?
Alapvetően két részre kell osztani a problémát: az egyik az eszköz építése során felhasznált anyagok, a másik az eszköz tömege. Az utóbbival kezdjük. Rögtön szögezzük le: attól, hogy valami hatalmas és nehéz, még simán túlélheti a világűr és a Hold viszontagságait, hiszen elsődlegesen az anyagválasztás határozza meg, hogy képes lesz-e elviselni ezeket a mostoha körülményeket. Tehát a Szabadság szobor - némi módosítással - akár már holnap indulhatna is a Holdra. Amiért erre mégsem kerül sor, az a tömege: rengetegbe kerülne ugyanis a világűrbe juttatni. Az űrbe szánt szerkezetek kivétel nélkül a lehető legkönnyebb anyagok felhasználásával készülnek. Bár a szerkezet kibírja a világűrt, a megrendelő pénztárcája nem bírja ki, amíg az eszköz eljut odáig. Egy kilogram cucc alacsony Föld körüli pályára juttatása alsó hangon minimum 10-15 000 USD.
Ez alapján már rögtön érthetővé is válik, miért kell elkeseredett küzdelmet folytatni a súlyfölösleg ellen. Az említett szobrot tehát jó eséllyel át kellene építeni, könnyebb anyagok felhasználásával. Itt jutunk el a második problémához: attól, hogy valami könnyebb, minimum olyan tulajdonságokkal kell rendelkeznie, mintha acélból lenne. Sőt.
Csak egy példa, amire egyik mérnökünk hívta fel a figyelmet, amikor ezt a dokumentumot belinkelte a levelezőlistánkba. Tegyük fel, hogy csatlakozót szeretnénk vásárolni. Ahhoz, hogy csatlakozónk űrképes legyen, anyagából először is el kell távolítani a gázokat. A műanyagból és gumiból készült anyagok ugyanis hajlamosak gázmolekulákat kibocsátani magukból. Például a jellegzetes "újautó-szagot" a polimerek gőzölgése okozza. Hő hatására és vákuumban ez a folyamat felgyorsul. Egy űrhajóban a polimerekből kiszabaduló gázok beszennyezhetik az optikák felszínét, károsíthatják a műszereket, emiatt pedig kevésbé hatékonyak lesznek.
De hogyan mérjük meg egy adott anyag kipárolgásának mértékét?
Az űriparban létezik egy bevett ellenőrzési eljárás - az ASTM E 595 - a polimerek kipárolgási tulajdonságainak meghatározására. Adott anyagból készült apró mintákat 125 Celsius fokra hevítenek 5 x 10-5 torr vákuumban. A vizsgálat kezdetén és végén mért tömeg különbsége nem haladhatja meg az 1,00%-ot. A teszt során a kigőzölgő gázok egy hűtött felületen kicsapódnak. Ennek mennyiségét is megmérik, és ez nem lehet több, mint a minta eredeti tömegének 0,10%-a.
A flourszilikont tartalmazó gumialkatrészek meghaladják a NASA által meghatározott szintet, de a fent ismertetett eljárással a kipárolgás elfogadható szintre csökkenthető. Az anyag kisütése olcsó, ráadásul jobb eredményekkel jár, mint a költséges vákuumos-hevítéses eljárás. Minél magasabb a hőmérséklet a sütőben, annál eredményesebb sikerül anyagunkat megszabadulni az illékony gázoktól. A NASA három szintet határozott meg: (1) a létező legnagyobb megbízhatóság, (2) magas megbízhatóság és (3) normál megbízhatóság, az első két esetben van szükség további vizsgálatokra. 
De visszatérve a Szabadság-szoborhoz. Az űrképes szerkezetek esetében a cél a tömeg minimalizálása a szükségesen elégséges szilárdsági követelmények mellett. Az űriparra hatványozottan igaz ez, ahol a high-tech ötvözetek egész tárházát használják, a NASA-nál vagy az ESA-nál dolgozó tervezőmérnök titánból, magnéziumból, alumínium-anyagokból válogathat, amit a periódusos rendszer mindenféle egzotikus fémeivel ötvöznek.
(És ez hasonílt a repülőgépgyártásban tetten érhető követelményekhez, ami erősen leegyszerűsítve ez: tudjuk, hogy el fog törni a csavar mondjuk 300 felszállás után a repülőgépem hajtóművében, de sebaj: 250 felszállásonként majd szétszedem a gépet, és kicserélem egy újra. Cserébe sok tömeget lehet spórolni.)
Az első mechanikai megmérettetésre már a start alkalmával sor kerül, hiszen indításkor már eleve magas G terhelést kell a szállítmánynak kibírnia.
A régebbi rakéta-hajtóművek rendszerint kicsit "pulzáltak" is, a Saturn V esetében például komoly hosszanti lengések, rezgések jelentkeztek, ami teljesen megszokott volt. A lényeg, hogy a szerkezet kibírja ki ezt a "lüktető terhelést".
[Persze, ez igaz volt a Saturn V előtt fejlesztett szerkezetekre is, olyannyira, hogy Deke Slayton, az asztronauták főnöke ezt írta róluk könyvében: "Magával a Titan gyorsítórakétával is akadtak problémák. A Redstone-t, az Atlast és a Titant nukleáris fegyverek célba juttatására fejlesztették ki, amik azért picivel kevesebb törődést igényeltek, mint az asztronauták. A gyorsítórakéták felszállás közben annyira rázkódtak, hogy ettől nemcsak az űrhajósok fogai koccanhattak össze, hanem az űrhajó is megsérülhetett. Megbízhatóságuk is hagyott kívánnivalót maga után. (Szerintem azért, mert ha már száz nukleáris rakétát kilövünk az oroszokra, öt vagy tíz meghibásodása igazából nem oszt, nem szoroz.) Így a tervezetthez képest hosszabb ideig tartott, mire a Titan II emberes repülésre alkalmassá vált (simábban repült és biztonságosabb lett)."]
A következő, jelentős mechanikus behatásra egy Holdra érkezéskor szembesülünk: napfényben a szerkezet akár +125 °C fokra is felmelegedhet, árnyékban viszont -150 °C fokra lehűl. A szerkezet egyes pontjai között pár méteren belül fellépő több száz Celsius fokos hőmérséklet-különbség hőtágulást és nagy belső feszültségeket eredményez, ez az űrbéli konstrukciótól függően durva nyíró, hajlító, húzó igénybevételt jelent. Az ismétlődő hőterhelések pedig a fémek termikus kifáradását, elöregedését okozhatják. (Mindenki láthatott már a nyári kánikulában villamossínt felpöndörödni méter magasra, pedig a locsoló autó azt még vízzel is szokta permetezni.)
Mivel az űrben locsolással hűteni elég bajos lenne, a hőleadás csak hősugárzás útján mehet végbe, ami nem túl hatékony, így három dolgot lehet tenni.
Ad 1: Fogjuk az egész űrben lebegő szerkezetünket, és időnként forgatunk rajta 90°-ot. Így mindig más és más oldalát éri a napsugárzás, lehet játszani a szerkezeten belüli hőeloszlással.
Ad 2: Másik módszer, belső hőcserélőt használni, és kipárologtatni a hűtőközegünket, pl. folyékony ammóniát.
Ad 3: Harmadsorban olyan fémes anyagokat építünk be, amik elég jól elviselik még ezt a nagy hőterhelést is.
Ilyenek az alumíniumok, amik szilícium, mangán, króm, titán, cink hozzáötvözésével és hőkezeléssel elérhető, hogy egy átlagos szerkezeti acéllal egyenértékű szakítószilárdsággal bírjon, harmadannyi tömeg mellett. Az ilyen sorozatú alumínium termékek nemzetközi szabvány szerinti jelölése EN AW 6000, 7000. Viszonylag olcsók, egyszerűen előállíthatók, megmunkálásukkal nincs gond, jól forgácsolhatók, lemez, profil, kovácsolt darab formájában előállíthatók. Hegesztésük a nagy ötvözőtartalmuk miatt már annál macerásabb, de megoldható lézeres, vagy vákuumos plazmahegesztéssel.
Szóba jöhet a titán, ami hiába a földkéreg negyedik leggyakoribb fémje, mégis nagyon drága. Sűrűsége az alumínium duplája, réz, molibdén, vanádium, cirkónium, hafnium ötvözéssel szívós, nagy szilárdságú, jó kúszásállóságú anyagok állítható elő belőle. Az így készült anyagokat is hőkezelik tulajdonságaik javítása érdekében. Egy komolyabb titánötvözet esetében az edzés során nem ritka a másodpercenkénti 1000°C-os hűtési ráta sem! A titán hőálló, korrózióálló tulajdonságai miatt sem elhanyagolható. [Az alábbi képen plazma-hegesztés látható:]
A következő, Iteráció 3-asnak becézett Pulinak már teljes egészében űrképesnek kell lennie, ami a fent leírtak értelmében nem egyszerű vállalkozás: túl kell élnie a start megpróbáltatásait, a 400 ezer kilométeres utazást, aminek során ki lesz szolgáltatva az űr vákuumának és a szélsőséges hőmérsékleti viszonyoknak. Célállomásán ugyancsak vákuum fogadja, csak itt még a nagyon finom szemcséjű, ám durva holdpor is súlyosbítja a helyzetet. A kozmikus sugárzás elektronikai berendezésekre gyakorolt "jótékony" hatásáról pedig még nem is beszéltünk. (Ezt igyekszünk bepótolni, lévén sorozatunk következő részében az űrképes elektronika fejlesztésével foglalkozunk majd.)
Lájkoltad már a Puli Space-t a Facebookon? Folyamatosan olvashatsz friss hazai és nemzetközi híreket a Hold-kutatásról, űrgépek fejlesztéséről, támogatóinkról!
-------------
TÁMOGASS MINKET!
Lépj be a Kis Lépés Klubba vagy vállalkozásként irány a Puli Indítóállás! Holdjárónk, a Puli, már ezer forintos támogatás esetén is magával viszi neved a Holdra, hogy az örök időkre ott maradjon! De a következő meteorbecsapódásig mindenképp...
Ajánlott bejegyzések:
A bejegyzés trackback címe:
Kommentek:
A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.
gingko 2013.02.05. 07:23:10
lacalaca · http://cydonia.blog.hu 2013.02.05. 12:37:56
hu.wikipedia.org/wiki/Tart%C3%B3sfoly%C3%A1s
gopuligo 2013.02.05. 13:36:23
Magas hőmérsékleteken és feszültségszinten működő alkatrészeknél már figyelembe kell venni (hőerőművek, gázturbina, stb.)."
seriakillaz 2013.02.12. 00:59:54
flimo13 2013.02.20. 08:16:13
Az Apollo című könyvben olvastam, hogy ennél sokkal megbízhatatlanabbak voltak, olyan 50% körüli _találati_ eséllyel, de az volt a matek, hogy adott pénzből hány bomba jut célba, és a kor színvonalán az volt a megoldás, hogy sok "ratyi", de olcsó rakétából sokat. Ebből kellett eljutni oda, hogy egy Saturn V se hibásodjon meg végzetesen..