在新兴的航天工业复合材料的作用

它在我们的自然知道未知的,这是一个原因,人类天生痴迷于空间。 几乎每周的新闻关于商业太空竞赛,虽然有很多的挑战和一些失败,这些公司继续他们的追求。 在本月的问题CompositesWorld杂志,CW唐娜道森曾经深入研究这个新兴产业集中在复合材料在这公共/私人进步作用。

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一旦NASA的唯一范围,
美国联邦机构成立于1958年,在前苏联

及其对应的联盟,地球大气层以外的空间成为了一个热点在1960年代
。 由此产生的太空竞赛公众的想象力

消耗和科学界的技术创新。 虽然苏联
推出第一(人造卫星和宇航员
尤里·加加林都是第一次),据说美国
“赢得”了比赛当美国宇航局阿波罗11号在月球上着陆,
7月20日,1969年,宇航员尼尔·阿姆斯特朗走出走在其表面。

从计算尺到电脑,NASA的员工和承包商继续构建五个航天飞机。 在1981年4月第一次发射之后,他们飞135任务。 但当老化的舰队是退休后30年,已经改变了。 不再是竞争对手,苏联解体后的俄罗斯已经成为美国宇航局供应商/合作伙伴。 人员——从俄罗斯、美国和其他地方,有时一起在同一个航班,货物在俄罗斯的运输联盟号进步宇宙飞船,分别象征着一个新的愿景合作太空探索,国际空间站(ISS)。

复合材料在空间:商业市场

与此同时,同样深刻的愿景是孵化:2006年,美国政府计划建立刺激商业与NASA太空计划,作为“金融投资者没有股本”和技术顾问。 简而言之,美国国家航空航天局空间技术的开放其庞大的遗产私人行业。 由此产生的商业船员和货物计划(C3PO)和商业轨道运输服务(COTS)计划旨在让美国的能力再次向国际空间站运送人员和货物从自己的土壤。

一路上,私人企业开始对商业空间有自己的想法。 一个结果是有一些1300年地球轨道上的卫星。 他们中的许多人执行商业功能:我们大多数人依赖手机,电视和GPS服务。 别人是研究性的,大学和政府项目的收集数据(图7,左)。 此外,私营企业追求广为人知的替代航天飞机,未来的旅行紧急状态,如月球栖息地,甚至宇宙飞船为游客。 (见“编辑选择。”)

项目经理凯瑟琳Lueders美国航天局的商业船员计划(CCP),这正是重点说:“第一个重要目标…… 是与工业行业工作可以开始提供关键国际空间站运输能力,”她说,但强调,“这使美国国家航空航天局资源专注于探索的目标。 同时,这使合伙企业发展和市场空间功能为商业用途,。”

共产党的第二个目标是使空间站科学实验室,并向国际空间站运送宇航员执行科学工作。 
15年的空间站数据现在可以进行研究。 
“人们将获取博士这个数据多年来,”她说,并指出,最终,这代表了一个国家的可观的投资回报。

第三个目标是获得竞争的好处:Lueders指出,当多个公司试图解决同样的问题,唯一的解决方案。 重大进展已经在材料科学和制造新设计进化。 “我们都是学习的最佳材料热保护系统,将最安全保护船员和货物在发射环境下,在操作在空间和返回地球大气层,”她说。

作为私营企业已经开始探索太空飞行的商业潜力,高强度和stiffness-to-weight,在变化多端的温度和热稳定性异常可生产大型,复杂形状的复合材料空间旅行的使能技术。 鉴于当前的广度和多样性与复合应用程序,这一点连续波概述决不是一个详尽的研究使用的商业航天工业。 小型和大型制造业公司今天的composites-intensive航天器和其他远离地球的产品仅仅是多到列表,更不用说信贷为他们的工作(但见“编辑选择”下的文章)。 充其量是一系列的快照的突出特点和参与者。

货物补给服务(CRS)

作为其COTS计划的一部分,第一个合作伙伴美国宇航局向私营企业开放是为了商业补给服务(CRS)。 目标是美国汽车运输与国际空间站货物和物资,包括食物、水、衣服和个人用品船员组件所必需的科学实验。 第一个合同下CRS-1被授予太空探索技术(SpaceX,霍桑、钙、美国)和轨道ATK公司(美国弗吉尼亚州杜勒斯)2008年12月,并说:“CRS-1仍将活跃在2018年,丹尼尔•Huot约翰逊航天中心的公共关系官员(休斯顿,德克萨斯州,美国)。

2012年8月,SpaceX货船成为
第一个商业宇宙飞船停靠在国际空间站(见学习更多)。 虽然胶囊不重用,可以重新进入地球大气层,使水通过降落伞着陆(在这种情况下,加州南部海岸约250英里,在太平洋),,因此,可以返回货物,包括国际空间站所导致的材料科学实验。 尽管众所周知,SpaceX使用复合材料的一些地区,该公司没有回应的请求信息。

轨道ATK公司(美国弗吉尼亚州杜勒斯)满足其CRS-1合同天鹅座宇宙飞船。 在太空轨道悠久的历史始于世界上第一个私人研制的运载火箭超过25年前,轨道的肖恩·威尔逊说,企业公关主任。 飞船在地球低轨道(LEO),地球同步轨道和深空。 它的心大星运载火箭支持商业和政府的有效载荷。 公司
正在和完全自筹资金任务扩展工具,用于维修卫星在轨道上。 第一个测试文章将在2018年底发射。

轨道航天器的航空电子设备,电力推进和通信系统天鹅座服务模块,这是一个12-sided结构循环船头和船尾甲板。 每12个面板和船尾甲板上的铝蜂窝夹层结构板。 碳复合皮在船尾甲板结构,但12设备面板铝皮。

碳复合材料夹层结构复合皮和铝蜂窝芯材也被用来弥补轨道的主要结构僵化的太阳能电池阵列。 facesheets首先autoclave-precured,然后是co-cured在高压釜各种插入和核心材料。 其他结构插入冷固结到面板。 然后治愈部分加工最终尺寸。 ”太阳能电池衬底,导电碳纤维是由绝缘材料在太阳能电池是保税的,”威尔逊解释说。

SpaceX和轨道现在定期补给国际空间站。 在撰写本文时,SpaceX公司已完成8和轨道5个任务。 2016年5月,国际空间站主持天鹅座在同一时间。 “有六架飞行器的空间同时停靠,“Huot解释道。 “和这两个我们车辆,两名俄罗斯联盟号和两个俄罗斯进步车站停泊的船只也。”

2016年1月,美国宇航局将CRS-2合同内华达公司空间系统(SNC,路易斯维尔有限公司、美国)。 通过其补给追梦者SpaceSystem(dcs最早)定于2019 – 2024,预计在2019年晚些时候发射。

像前面的航天飞机,dcs水平垂直发射,土地(VTHL)和是可重用的。 它已经被修改为“货任务以满足CRS-2需求。 船员版本上固定翼和垂直发射
运载火箭没有整流罩将车辆-一个特性允许任务中止发射升空时如果船员安全的必要条件。 “货运飞船
不需要此功能,所以它的翅膀折叠,允许它被安装标准直径5米整流罩
。 其主要的推进系统,包括最初的中断功能,已被删除,使更多的货物存储空间。 此外,一个单独的货物模块添加了。

追梦者的初级和二级结构,包括空地和减速伞,倾斜的鳍,机舱舱壁,是由碳纤维预浸材料
与双马来酰亚胺(BMI)树脂,在织物和单向胶带,用非金属蜂窝芯材夹层结构。 最新的设计采用广泛co-bonding高压釜,把先进的3 d机织预成型关节。

SNC的太空技术集团已经

提供关键子系统NASA和其他商业太空公司在世界各地。 “我们已经为其提供了成千上万的组件,支持超过450个太空任务,其中包括70多名美国宇航局任务,已经七个行星在太阳系,和过去两年也发射了18颗卫星,”约翰·罗斯说业务发展副总裁SNC的空间系统。 “我想说我们的总体目标是继续人类的不可分割的一部分使用,和探索的空间。”

商业载人计划(CCP)

成立于2010年,美国航天局的商业船员计划(CCP)选择SpaceX公司和波音公司(芝加哥,美国)来设计和建造human-rated飞船向国际空间站运送人员和货物。 SpaceX是修改其以满足美国宇航局CCP需求和波音公司建立船员太空运输过程中(cst – 100)Starliner

波音公司的测试文章Starliner 彻底胶囊正在测试在波音的亨廷顿海滩,CA,设施。 在波音的术语中,这是“极端震动,烤和测试。 “第二个Starliner,被称为飞船1在佛罗里达,聚集在美国宇航局肯尼迪。 加压宇宙飞船的上部和下部穹顶是铝,在无缝spinforming过程和加工成蜂窝模式来减肥。 的某些部分Starliner 显然是复合,但丽贝卡·里根波音公司沟通,建议说,“因为我们在高度竞争的环境与商业载人计划,我们不是在谈论我们的复合部件,材料或过程。”

内华达山脉和蓝色起源(肯特,佤邦,我们)是未来潜在的竞争者CCP合同。 由杰夫·贝佐斯,蓝色的起源是一个私人资助的航空航天制造业和航天服务公司。 它的新谢泼德six-seat乘员舱和第二阶段助推火箭-命名的宇航员艾伦·谢泼德在空间——美国第一个专为垂直起飞和垂直降落(VTVL)。 通过多个降落伞着陆太空舱返回,和第一阶段助推火箭也返回地球。 两者都是可重用的。 2015年4月第一次试飞。 在2015年11月,胶囊达到海拔100534 m,飞船和火箭都安全返回地球。 2016年1月,同样的飞船和火箭重新推出。 胶囊达到海拔超过101500米,再一次,飞船和火箭安全回来,还适合重用。 (卡门线海拔100公里/ 62公里,被认为是“太空”的起点高于地球大气层。)

虽然蓝色起源拒绝讨论中使用的材料新谢泼德工艺,贝佐斯透露正在进行的计划建造一个750000 ft2轨道车辆制造工厂在探索公园(佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心,美国)“扫清道路的生产可重用的轨道车队,我们将发射和土地,一遍又一遍。 “工作在所有但新谢泼德的引擎设施计划,该公司表示将房子自动复合材料加工设备,显然暗示复合材料的飞船。

 

运载火箭:ISS和超越

运载火箭的设计和装配也一直向私营企业开放。 SpaceX是猎鹰9号运载火箭将货物和将未来船员车辆运送到国际空间站和其他狮子任务。 就其本身而言,轨道ATK公司,到目前为止,它的使用心大星火箭,其天鹅座关于货物交付任务空间站。 第二阶段的心大星特性的固体火箭发动机复合情况,及其所有上层堆栈结构级间,电动机锥和整流罩-复合结构。

美国总部设在百周年,公司联合发射联盟(ULA)”一个50/50的合资公司波音和洛克希德马丁(El Segundo、钙、美国),目前正在推出狮子座任务通过阿特勒斯V火箭的一个版本阿特拉斯火箭在1960年代美国宇航局好好地登上月球。 波音、内华达山脉和轨道上的所有货物计划推出他们的即将到来的载人任务阿特勒斯V火箭车辆。

该公司的δ阿特拉斯家庭的运载火箭将被取代,随着时间的推移,其下一代火神发射系统,第一将半人马,计划在2019年飞
。 更换,火神ace(先进的低温进化阶段),定于2023年飞。 对低温指的推进剂ace阶段将液氧和液氢。

的主要结构火神使复合材料的广泛使用。 五大碳纤维/环氧树脂复合结构会弥补这个缺点:整流罩(5.4米直径)可用在三个长度,20.7米,23.5米和26.5米。 级间结构(5.4米)直径是4.1米长。 这个单,锥形360°空心块连接火箭的第一和第二阶段。 直径5.4米,在它的基地,这蜡烛对其上行接口较小直径的第二阶段。 直径5.4米防热罩在火箭的基地也将整体复合结构。 这些结构也将复合绝缘保护外壳。 负责工程的副总裁马克·皮勒说,齿龈已经完成初步设计审查,正在详细设计和已经发布了一些订单给供应商或工厂建造火箭组件。 “我们正在与Ruag空间(瑞士苏黎世)合作开发和生产的复合结构,“皮勒说。 齿龈Ruag提供大型组合结构,以及主要的欧洲航空公司,多年来,高于视觉对五个主要负责火神复合结构,每一个都将建成的一块,使用高压蒸汽(OOA)材料、齿龈的阿拉巴马州的工厂。 这意味着火神将“更高效、更轻,并希望更低的成本和更高的品质,”皮勒说。

5.4米直径整流罩,Ruag使用东丽T300碳纤维编织碳或碳/玻璃(E -玻璃和S-glass纤维预浸材料)。 Ruag选择(不明)树脂从各种商业树脂系统中,选择一个最适合真空袋out-of-autoclave过程,“最近作为基线过程对我们所有的产品,实现“Matteo Rendina说产品工程经理Ruag空间。

整流罩是三明治结构与半固化片皮肤层和铝蜂窝芯材。 软木塞热保护系统是应用于外。 cylindrical-shaped主要部分的整流罩是铺设在0/90°±45°纤维结构在平坦的表通过一个自动化的过程。 完成后,上篮被转移到由专用

男性焊接模具夹具。 的内在皮肤ogive-shaped部分顶部的整流罩是手直接铺设在最后结合模具;外层皮肤是铺设在虚拟模具,然后转移到焊接模具,最后搭在蜂蜜,梳理核心。

co-curing过程是用来制造一个完整的整流罩一半在一块,包括内部和外部的皮肤,蜂窝芯材和热保护,生产过程,减少了生产时间和成本,Rendina说。 (必须在两半整流罩,长,因为它在发射分开。) Rendina拒绝透露任何细节的专有的固化过程。 然而,他说,治疗概要文件被Ruag充分验证。

所有复合元素是使用相同的材料和生产过程,Rendina说,尽管不同产品的设计细节不同的层压板上篮,蜂窝和热保护系统。

太空旅游

尽管维珍银河(莫哈韦、钙、美国),由理查德·布兰森爵士和在航空航天复合材料boundary-pusher伯特·鲁坦教唆下,尚未实现其公开太空旅游企业,其最新火箭太空船二号(SS2),VSS团结后,在作地面试验阶段,它将进行广泛的飞行测试。 飞行测试将开始与captive-carry航班上白骑士二号(二战)“母舰”其次是滑翔飞行之前,火箭已增加长度的航班。 最新版本的二战,vm前夕作为一个教练飞机,是在常规服务。 在服务,公司预计二战将渡船ticketed-passenger-filled的舰队ss2高空,然后发射火箭动力飞行超过海拔100公里/ 62英里在短,轻便亚轨道偏移卡门线。 乘客将返回地球通过翼飞行着陆跑道(见学习更多)。

这两个空间访问系统复合机身。 维珍银河公司的副总裁威廉•Pomerantz特殊项目,指出复合材料选择很大程度上是因为他们的高度理想的强度重量比,以及他们的工艺性和定制。 详细的材料和工艺技术是专有的,但是Pomerantz说手上篮和绕组技术,和部分是由汽车——劈开和out-of-autoclave流程。

LauncherOne公司的复合卫星运载火箭,现在在建设和测试,是维珍银河商业抱负在小LEO卫星领域。 这将是由处女的妹妹,宇宙飞船有限公司,在其设计和制造设施在长滩,CA。

NASA的任务:人类火星

新兴的商业航天工业,事实上,NASA关注要求释放和激进的访问和探索外层空间的挑战。 NASA正在建设它猎户座胶囊作为空间飞行器将宇航员太空深处,甚至最终火星——洛克希德·马丁公司作为它的主承包商。猎户座的原始金属atmospheric-re-entry隔热板与复合材料已经交换了一个设计,在并行程序,一个复合猎户座胶囊是原型与当前主流化金属版本(见学习更多)。 NASA还正在建设一个新的太空发射系统(SLS)任务超出狮子座。 尽管波音公司是它的主承包商,机会也在为与低地球轨道以外的太空发射工作。

NASA已经与SNC简约,例如,提供关键硬件计划2020火星任务。 这将是13日NASA使命,行星的SNC赢得了一份合同。 在其中一个,SNC提供不少于下降制动系统降低了好奇心探测器在火星表面。

轨道ATK公司也已经被美国宇航局选择,在这种情况下,研究概念
月地栖息地(月地指的是空间躺在地球和月球之间,或月球的轨道),着眼于最终人类的火星任务。 轨道的天鹅座宇宙飞船是一个强有力的候选人被用作构建块栖息地对这些企业来说,轨道的企业公关总监肖恩·威尔逊说。

除此之外,一个重要的技术示范工作NASA马歇尔太空飞行中心(亨茨维尔,美国)是一个复合的发展cryotank能够包含液态氢和液态氧火箭燃料(见学习更多)。 在2014年由NASA /波音团队完成,它标志着美国宇航局的改变游戏规则的主要成就在空间技术发展项目任务理事会。

约翰•威克斯NASA的主要技术先进制造复合cryotank技术示范工作解释说,“这不是开发特定的运载火箭,但作为技术演示来帮助我们增加我们的火星任务的能力。 “它将适用于所有类型和大小的运载火箭,以及栖息地,兰德斯,汽车表面,任何物流工艺可能需要火星任务。

约30%的优势是,一般来说,当复合材料取代金属探测器。 但是,”当我们想到运载火箭,这可能是运载火箭的总重量的60%,”报告中说,因为绝大多数的重量是由油箱。

复合材料在空间:增加任务的能力

维氏描述未来的挑战而言,推出vehicle-to-payload比率,比较燃料和火箭的重量比火箭的载荷是能够实现的目标。 “如果我们谈论的是狮子座,”他指出,“这将是20:1。 即需要大约20磅的燃料和火箭提供1磅狮子座的有效载荷。 ”之旅火星然而,比,他指出,“肯定是大于600:1。 “有一个巨大的激励,为NASA和私人企业一样,这一比例接近最大限度,和维氏认为现有复合材料提供了最好的机会。 无论去深太空——cryo-tanks、运载火箭、载人飞船,兰德斯,表面车辆,需要尽可能低的质量。 “典型的先进复合材料可以减少我们的重量约30%,“维氏笔记。 “这很重要。 但是我们真正推动今天是重量减少50%。”

那么,”他总结说,“我们正在寻找一半的重量和一半成本在两次速度。”

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