อลูมิเนียมอัลลอยด์สำหรับยานอวกาศ ยานอวกาศ และโครงสร้างวงโคจร

ยานพาหนะที่ปล่อย ดาวเทียม และแท่นวงโคจรถูกครอบงำด้วยอะลูมิเนียมด้วยเหตุผลหนึ่งเดียว คือ ทุกกิโลกรัมที่แยกออกจากโครงสร้างคือน้ำหนักบรรทุกหรือจรวดขับเคลื่อนหนึ่งกิโลกรัมที่สามารถบรรทุกแทนได้ โลหะยังทนต่อการแกว่งของอุณหภูมิระหว่าง -150 องศาถึง +150 องศาตามที่ยานอวกาศส่วนใหญ่ประสบ และสามารถขึ้นรูป กลึง และเชื่อมเป็นส่วนประกอบที่ซับซ้อนโดยไม่ต้องใช้เครื่องมือแปลกใหม่

เหตุใดอะลูมิเนียมจึงครองการก่อสร้างยานอวกาศ

ตัวขับเคลื่อนหลักคืออัตราส่วนความแข็งแกร่ง-ต่อ-น้ำหนัก เนื่องจากต้นทุนการเปิดตัวจะปรับขนาดโดยตรงกับมวล อลูมิเนียมยังยอมรับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่ลึกของสภาพแวดล้อมทางความร้อนในวงโคจร และความเหนียวของอะลูมิเนียมช่วยให้-โดมที่ดึงออกมาลึก อุปกรณ์ฟิตติ้งที่กลึง และ-ภาชนะรับความดันที่มีผนังบาง-สามารถผลิตได้จากเหล็กแท่งเดียว โลหะผสมเช่น 6061 และ 7075 เพิ่มความทนทานที่จำเป็นสำหรับฟลักซ์ไมโครมิเตอร์และการแผ่รังสีคอสมิก และอัลลอยด์เหล่านี้ระบุไว้ในบัสดาวเทียม ถังเก็บความเย็นเยือกแข็ง และโครงสร้างโมดูลที่อยู่อาศัยได้

พฤติกรรมการป้องกันรังสี

อะลูมิเนียมไม่ใช่เกราะป้องกันรังสีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดต่อหน่วยมวล แต่ความหนาแน่นอะตอมของอะลูมิเนียมจะลดทอน-รังสีคอสมิกพลังงานต่ำ และการผสานรวมเข้าด้วยกันนั้นทำได้ง่ายกว่าโลหะที่มีความหนาแน่น เช่น ตะกั่ว มาก แผ่นผนังหลาย-จึงรวมอะลูมิเนียมเข้ากับวัสดุที่มีไฮโดรเจน- เช่น โพลีเอทิลีน ซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่ากับฟลักซ์นิวตรอนทุติยภูมิ โครงสร้างอะลูมิเนียมน้ำหนักเบาช่วยรักษามวลกำบังโดยรวมภายในซองส่งจรวด และแผงตัวถังอะลูมิเนียมอัลลอยด์ให้กำบังบางส่วนบนสถานีโคจรที่มีลูกเรือ โครงสร้างอลูมิเนียมคอมโพสิตเป็นหัวข้อวิจัยเชิงรุกสำหรับภารกิจอวกาศนอกดาวเคราะห์ที่ยาวนาน-

การเลือกโลหะผสมสำหรับการเปิดตัวและฮาร์ดแวร์วงโคจร

อะลูมิเนียม 2219-โลหะผสมทองแดง:ถังเชื้อเพลิงจรวดแบบไครโอเจนิกส์ที่ความสามารถในการเชื่อมและความเหนียวที่อุณหภูมิต่ำ-ถือเป็นปัจจัยสำคัญ

อะลูมิเนียม 2195-ลิเธียม:ลดมวลโครงสร้างลง 5-10% พร้อมเพิ่มความแข็ง

7075-T6:อุปกรณ์ยึด ขายึด และส่วนต่อประสานที่มีความแข็งแรงสูง-สูง

6061-T6:โครงสร้างทั่วไป แผงรอง และโครงเชื่อม

อะลูมิเนียม-โลหะผสมสังกะสี:ส่วนที่มีความเครียดสูง-ของโครงสร้างยานปล่อยตัวขนาดใหญ่

การเลือกโลหะผสมจะเชื่อมโยงกับเส้นทางการเชื่อมพอๆ กับคุณสมบัติทางกล ถังไครโอเจนิกส์อาศัยอะลูมิเนียม-โลหะผสมทองแดงเนื่องจากเชื่อมเข้ากับโดมขนาดใหญ่และส่วนถังขนาดใหญ่ได้อย่างน่าเชื่อถือ ซึ่งกักเก็บออกซิเจนเหลวไว้โดยไม่แตกหัก อะลูมิเนียม-เกรดลิเธียมถูกเลือกโดยที่การลดมวลลง 5-10% จะทำให้ราคาวัสดุสูงขึ้น และโลหะผสมอะลูมิเนียม-สแกนเดียมยังอยู่ระหว่างการพัฒนาเพื่อเพิ่มความต้านทานการตกผลึกซ้ำในข้อต่อที่เชื่อม ผู้สมัครทุกคนผ่านการทดสอบแรงกระแทกระดับไมโครอุกกาบาตก่อนที่จะเข้าสู่โครงสร้างการบิน

ใน-การรีไซเคิลและการผลิตวงโคจร

การปล่อยมวลจากโลกเป็นทรัพยากรที่หายากที่สุดในโครงการอวกาศ ดังนั้นถังอะลูมิเนียมและชิ้นส่วนโครงสร้างที่ถูกทิ้งจึงถูกมองว่าเป็นวัตถุดิบตั้งต้นมากกว่าขยะ ใน-การทดลองการผลิตในอวกาศได้สาธิตการพิมพ์ 3 มิติด้วยอะลูมิเนียมรีไซเคิลในสภาวะไร้น้ำหนัก และเตาสุริยะได้รับการศึกษาว่าเป็นวิธีการหลอมใหม่และเปลี่ยนรูปอะลูมิเนียมโดยไม่ต้องใช้แหล่งจ่ายไฟภาคพื้นดิน การวางแผนระยะยาว-สำหรับฐานดวงจันทร์และดาวเคราะห์ต้องใช้การประมวลผลเฉพาะที่ เนื่องจากการปรับโครงสร้างบนดวงจันทร์มีอะลูมิเนียมออกไซด์ประมาณ 14% โดยมวล และโดยหลักการแล้วสามารถจัดหาโลหะโครงสร้างที่ไซต์งานได้

ข้อจำกัดและการบรรเทาผลกระทบ

การออกแบบอะลูมิเนียมรูปทรงจำกัดสามระดับสำหรับห้วงอวกาศ ประการแรก อะตอมออกซิเจนในวงโคจรโลกต่ำจะสลายพื้นผิวที่ไม่ผ่านการบำบัด ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการเคลือบป้องกันหรือชั้นการแปลง ประการที่สอง อะลูมิเนียมจะเปราะที่อุณหภูมิต่ำมาก-ซึ่งอยู่ห่างไกลจากดวงอาทิตย์ ประการที่สาม ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนอยู่ในระดับสูง ซึ่งบังคับให้ต้องออกแบบข้อต่ออย่างระมัดระวัง เพื่อไม่ให้การเคลื่อนที่แบบดิฟเฟอเรนเชียลทำให้เกิดรอยเชื่อม การเคลือบผิว ข้อต่อแบบเกรด และเกรดอะลูมิเนียม-ที่เกิดขึ้นใหม่จากแคนเดียมคือคำตอบมาตรฐานสำหรับข้อจำกัดแต่ละข้อเหล่านี้

การอ้างอิงข้อมูลจำเพาะ

โดยปกติแล้วฮาร์ดแวร์การบินจะได้รับการจัดหาโดยสามารถตรวจสอบย้อนกลับได้อย่างสมบูรณ์: เคมีที่ผ่านการรับรอง ผลการทดสอบทางกล การตรวจสอบรอยเชื่อมด้วยคลื่นอัลตราโซนิก และในกรณีที่มีความสำคัญต่อการเก็บรักษาแรงดัน การทดสอบการพิสูจน์และการรั่วไหลของภาชนะทุกลำ โดยทั่วไปแผ่นและเพลทจะได้รับคำสั่งตามมาตรฐาน ASTM B209 และการอัดขึ้นรูปตามมาตรฐาน ASTM B221 โดยมีข้อมูลการแตกหัก-ความเหนียวและความเค้น{4}}ที่มาจากการกัดกร่อนตามอุณหภูมิที่กำหนด

คำถามที่พบบ่อย

ถาม: เหตุใดอะลูมิเนียมจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการก่อสร้างยานอวกาศ
อัตราส่วนความแข็งแกร่ง-ต่อ-น้ำหนักช่วยลดต้นทุนการเปิดตัว ทนทานต่อการใช้งานตั้งแต่ -150 องศาถึง +150 องศา และมีความอ่อนตัวเพียงพอสำหรับส่วนประกอบที่ขึ้นรูปและกลึงที่ซับซ้อน

ถาม: อลูมิเนียมปกป้องนักบินอวกาศจากรังสีได้อย่างไร
อะลูมิเนียมจะลดทอน-รังสีคอสมิกพลังงานต่ำผ่านความหนาแน่นของอะตอม และแผงหลาย-ชั้นจะรวมเข้ากับโพลีเอทิลีนที่มีไฮโดรเจน-สูงเพื่อลดฟลักซ์นิวตรอนโดยไม่มีมวลมากเกินไป

ถาม: อลูมิเนียมอัลลอยด์ชนิดใดที่มีอิทธิพลเหนือการใช้งานในอวกาศ
อะลูมิเนียม 2219-ทองแดงสำหรับถังแช่แข็งแบบแช่แข็ง, อะลูมิเนียม 2195-ลิเธียมสำหรับโครงสร้างหลักน้ำหนักเบา, 7075-T6 สำหรับอุปกรณ์ข้อต่อที่มีความแข็งแรงสูง และ 6061 สำหรับงานโครงสร้างทั่วไป

ถาม: อะลูมิเนียมรีไซเคิลระหว่างภารกิจอวกาศได้อย่างไร
ถังและชิ้นส่วนโครงสร้างที่ถูกทิ้งจะถือเป็นวัตถุดิบตั้งต้นสำหรับ-การผลิตในอวกาศ และได้สาธิตการพิมพ์ 3 มิติของอลูมิเนียมรีไซเคิลภายใต้สภาวะไร้น้ำหนักขนาดเล็ก

ถาม: อลูมิเนียมในห้วงอวกาศมีข้อจำกัดอะไรบ้าง?
อะตอมออกซิเจนจะสลายพื้นผิวที่ไม่ได้รับการบำบัดในวงโคจรโลกต่ำ โลหะจะเปราะที่อุณหภูมิต่ำเป็นพิเศษ- และการขยายตัวทางความร้อนที่สูงจำเป็นต้องออกแบบข้อต่ออย่างระมัดระวัง

ถาม: อะลูมิเนียมสามารถผลิตได้จากทรัพยากรบนดวงจันทร์หรือไม่
สารรีโกลิธทางจันทรคติประกอบด้วยอลูมิเนียมออกไซด์ประมาณ 14% โดยมวล ดังนั้นการรีโกลิธเฉพาะจุดและการหลอมเตาหลอมพลังงานแสงอาทิตย์-จึงกำลังอยู่ในระหว่างการศึกษาเพื่อลดการพึ่งพาโลหะที่ปล่อยจากโลก-