2023. gada jūnija 3. nedēļas WBM ziņu ieteikums — SMB gultņi: gultņi kosmosā

"Kosmoss ir riskants bizness," reiz teica Ārons Koens, NASA administratora vietnieka pienākumu izpildītājs. "Es vienmēr uzskatīju katru palaišanu par tikko kontrolētu sprādzienu." Tā kā tuvākajā nākotnē gaidāmi vairāki jauni kosmosa projekti, no šiem riskiem ir jāizvairās par katru cenu. Tas uzliek inženieriem lielāku pienākumu radīt augstas veiktspējas komponentus, kas var izturēt vardarbīgus atspoles palaišanu un neviesmīlīgus telpas vakuumus. Šeit Kriss Džonsons, specializētā gultņu piegādātāja SMB Bearings rīkotājdirektors, skaidro progresīvo gultņu būtisko lomu cilvēka ceļojumos aiz zvaigznēm.

Apvienoto Nāciju Organizācija (ANO) ir noteikusi, ka uz kosmosu balstīti pakalpojumi un tehnoloģijas ir galvenie tās 17 ilgtspējīgas attīstības mērķiem 2030. gadam. Kosmosa tehnoloģija, teikts tās tīmekļa vietnē, būs "galvenais elements klimata pārmaiņu izpratnē un visa katastrofu pārvaldības cikla laikā; tikai divi piemēri starp neskaitāmiem lietojumiem, ko kosmoss var veicināt." Žurnāls Forbes prognozē vairākus kosmosa tehnoloģiju sasniegumus tuvāko gadu laikā. Tie ietver videi draudzīgus projektus, piemēram, infrasarkanās kameras satelītos, lai uzraudzītu māju un uzņēmumu radītās siltuma emisijas, un satelītattēlu kartes, kas mērīs mežu izciršanu saistībā ar oglekļa izmantošanu.

Ir plānoti arī mazāki kravnesības braucieni uz Mēnesi, piebilst Forbes, un vairāku satelītu palaišana. Šie projekti radīs lielāku spiedienu uz iekārtu ražotājiem, lai tie iegādātos un izmantotu misijai kritiskos mašīnu komponentus, kas var izturēt kosmosa vakuumu. Būtiski komponenti, piemēram, sensori, saules baterijas, lēcas un pusvadītāji, tiks pakļauti ārkārtējām temperatūras svārstībām saules nefiltrētā starojuma dēļ, kas dažos gadījumos izraisīs atteices un miljoniem dolāru vērtus bojājumus.

Šīs problēmas attiecas arī uz gultņiem. Galvenā problēma ir tā, ka īpaši tīra vakuuma vide, īpaši augsta vai zema temperatūra vai ļoti kodīgi elementi, var ietekmēt gultņu kalpošanas laiku par pārsteidzošiem 90 procentiem. No vienas puses, mašīnbūvētāji ir paaugstinājuši veiktspējas prasības gultņiem, ko izmanto uz zemes bāzētiem lietojumiem, piemēram, pārtikas pārstrādē un tērauda ražošanā, jo īpaši, lai uzlabotu to darbību ļoti korozīvā vidē un pret mitruma un ķīmisko vielu iedarbību. Bet kā gultņi var izturēt kosmosa vakuumu un pieaugošo pieprasījumu pēc to izmantošanas kosmosa lietojumos?

Ilgāks mūžs
Skarbie kosmosa apstākļi ietver tādus prasīgus faktorus kā absolūts vakuums, mainīgas temperatūras, kā arī ekstremālie un vardarbīgie G spēku raķešu komponenti, kas tiek pakļauti pacelšanās laikā. Lai izturētu šos apstākļus, gultņiem jābūt apstiprinātiem kosmosā — bet ko tas īsti nozīmē?

Sākumā gultņiem, kas paredzēti lietošanai kosmosā, ideālā gadījumā jāatbilst AS9102 Aerospace First Article Inspection standartam, kas aptver detaļu ražošanas procesus, sākot no maziem elektriskiem komponentiem līdz lieliem konstrukcijas mezgliem, ko izmanto aviācijā, kosmosā un aizsardzībā. Šī ir daļa no AS9100 noteikumu sērijas, kas ir ISO 9001 kvalitātes vadības sistēmas ekvivalents kosmosa jomā. Šie standarti izvirza inženiertehniskas prasības pašam gultnim.

Ņemiet, piemēram, lodīšu sprostu, ko sauc arī par fiksatoru, kas atdala gultņa lodītes no centrālās rites sastāvdaļas. Būris var būt izgatavots no AISI 304 austenīta nerūsējošā tērauda, ​​jo tam ir lieliska izturība pret koroziju un laba veiktspēja augstās temperatūrās. Noderīga ir arī nerūsējošā tērauda gultņu pārklāšana ar politetrafluoretilēnu (PTFE), kas ir viens no pasaulē daudzpusīgākajiem zināmajiem plastmasas materiāliem. PTFE arvien vairāk tiek izmantots ārpus kosmosa kuģiem, un tam ir uzrādītas stiepes, pagarinājuma, elastības un trieciena īpašības, kas vakuuma vidē ir līdz pat desmit reizēm labākas nekā biežāk izmantotajām plastmasām uz fluora bāzes, piemēram, Tefzel (ETFE).

Jāņem vērā arī gultņu kalpošanas laiks — it īpaši, ja tos paredzēts izmantot rites elementos kosmosa kuģos, kuriem jāpaliek darboties prom no Zemes gadiem, gadu desmitiem vai nenoteiktu laiku. Eļļošana šeit ir ļoti svarīga, un īpaši kosmosa vajadzībām ir izstrādātas eļļas ar zemu izplūdes gāzu un zemu tvaika spiedienu. Sintezētas ogļūdeņraža jeb perfluorpoliētera (PFPE) šķidrās smērvielas aviācijas un kosmosa rūpniecībā tiek izmantotas vairāk nekā 30 gadus.

Agresīva vide
Apskatīsim citus materiālus: keramiku, ko parasti izmanto termoaizsardzības sistēmās vai siltuma vairogiem kosmosā. Ir pierādīts, ka keramika efektīvi iztur ārkārtējas temperatūras izmaiņas, piemēram, kad kosmosa kuģis lielā ātrumā nonāk jebkura veida atmosfērā, neatkarīgi no tā, vai tā ir Zeme vai Marss. Keramikas izstrādājumiem ir lieliska zemas un augstas temperatūras stabilitāte, kas nozīmē, ka to var izmantot dziļā kosmosā un kriogēnijā, kā arī krāsnīs.

Tādējādi mēs nonākam pie keramikas gultņiem, kurus to plusu un mīnusu dēļ bieži aizēno tērauda gultņu kolēģi. Pirmkārt, mīnusi: keramikas lāču gredzenu apaļums nav tik labs kā augstas precizitātes tērauda gultņiem. Lai gan keramikas gultņi ir cietāki par tēraudu, materiāls ir arī trauslāks. Šī iemesla dēļ pilnībā keramikas gultņi netiek izmantoti ļoti liela ātruma lietojumos, piemēram, darbgaldos vai turbīnās. Šiem lietojumiem priekšroka tiek dota īpaši precīziem hibrīda gultņiem. Keramikas gultņi ir arī dārgāki.

Neskatoties uz to, keramikas gultņi tiek izmantoti agresīvā vidē, kur citi materiāli nav piemēroti. Tos visbiežāk izmanto lietojumos, kur nepieciešama izcila izturība pret koroziju, kā arī īpaši zemas vai augstas temperatūras iedarbība. Citiem vārdiem sakot, keramikas būtnes ir ideāli piemērotas izmantošanai kosmosā.

Visbiežāk izmantotie materiāli SMB Bearings keramikas gultņos ir cirkonijs (ZrO2) un silīcija nitrīds (Si3N4). Abiem ir lieliska izturība pret koroziju. Šiem materiāliem ir zems berzes koeficients, kas sniedz mums galveno pilno keramikas gultņu priekšrocību: tie var pastāvīgi darboties ar ātrumu bez eļļošanas, tāpēc Si3N4 bieži izmanto vakuuma vidē.

ZrO2 gultņus var izmantot līdz 400 grādiem pēc Celsija, bet Si3N4 gultņus līdz 800 grādiem pēc Celsija. Turklāt šīm temperatūrām SMB Bearings iesaka, ka gultņiem jābūt pilnībā papildinātiem. Tas nozīmē, ka gultņam nav lodīšu fiksatora, un tā vietā brīvā vieta ļauj uzstādīt papildu lodītes. Šis lodīšu papildinājuma palielinājums ļauj ievērojami palielināt radiālo nestspēju, lai gan maksimālais ātrums ir ievērojami samazināts. Līdz aptuveni mīnus 200 grādiem pēc Celsija keramikai ir arī lieliska veiktspēja zemā temperatūrā, ja tiek izmantots piemērots būris.

Pateicoties vieglajām un ar vakuumu saderīgajām īpašībām, silīcija nitrīda gultņi būs ļoti paļāvīgi uz kosmosa izpēti. Tie būs īpaši noderīgi satelītiem un kosmosa kuģiem, kuriem nepieciešama optimāla svara jauda, ​​lai veiktu uzlabotu lidojuma dinamiku un paātrinājumu. Šie speciālie gultņi kopā ar nerūsējošā tērauda līdziniekiem būs ļoti svarīgi, lai nodrošinātu, ka nākamais milzu lēciens cilvēcei ir nebūtisks bizness.