کاربرد سرامیک ها درهوافضا

[vahid5835]

کاربرد سرامیک ها درهوافضا


سرامیک ها در صنایع مختلف کابردهای فراوانی دارند که اغلب این کاربردها مربوط به خواص فیزیکی برجسته آنها از جمله تحمل دمای زیاد و مقاومت در مقابل سایش است . در صنایع هوافضا نیز به واسطه خواص و صفات مذکور سرامیک ها دارای کاربردهای زیادی هستند که از جمله انها میتوان به شیشه های ضد مه وضد یخ و پنجره هواپیماها اجزای مختلف موتور جت کاشی های شاتل فضایی قطعات با مقاومت داماهای زیاد اجزای الکتریکی – الکترونیکی فضایی و ناوبری و لنزهای تلسکوپ ها فضایی اشاره کرد . در این مقاله کاربرد سرامیک ها در سیستم های محافظت حرارتی شاتل بررسی کرد .
مقدمه :
فرض کنید برروی یک قله یک کوه با یک توپ جنگی , گلوله ای را پرتاپ می کنید . بدون درنظر گرفتن مقاومت هوا هر چه نیروی پرتاپ کننده بیشتر باشد سرعت گلوله در هنگام خارج شدن از لوله بیشترخواهد بود و گلوله مسافت بیشتری را طی خواهد کرد تا زمانیکه تحت نیروی جاذبه زمین سقوط کند . حال اگر سرعت پرتاپ به 9/7 متر بر ثانیه (حدود 28000 متر بر ساعت)برسد, گلوله دیگر به زمین سقوط نخواهد کرد و با همان سرعت دور زمین (در مدار دایره ای شکل )خواهد چرخید. در این حالت گلوله تبدیل به یک ماهواره می شود و اگر نیروی اصطحکاک هوا نباشدو گلوله تاابد در مدار زمین باقی میماند به دلیل وجود اصطحکاک هوا در ارتفاعات کم سرعت گلوله عملا کم میشود و در نهایت سقوط خواهد کرد . اگر سرعت پرتابه را افزایش دهیم مدار حرکت گلوله از حالت دایره ای به خالت بیضوی شکل تغییر خواهدکرد و با افزایش سرعت مدار حرکت بیضوی خاوده شد. مکانزییم قرارگرفتن ماهواره ها در مدار نیز دقیقا به همین شکل است. باکاهش سرعت ماهواره پس از پایان ماموریت ارتفاع آن کم می شود تا وارد جو زمین شود. از آنجا که سرعت گردش ماهواره در هنگام برخورد به مولکولهای هوای جو هنوز بسیار زیاد است , دمای سطح ماهواره آنقدربالا می رود که قطعات آن آتش میگیرند و می سوزند . در این جا نقش عایق حرارتی بسیار مهم است .

کاربرد سرامیک ها در شاتل فضایی

سیستم حمل ونقل شاتل فضایی بمنظور فراهم کردن روشی برای حمل بار وسرنشین در مدار کم ارتفاع زمین بوجود آمد .این سیستم شاتل شامل چهار عنصر اساسی است. راکت های بوسترسوخت جامد _ موتورهای اصلی شاتل فضایی _ تانکر و فضاهای خالی شاتل فضایی . این سیستم طوری طراحی شده است که میتواند با 29500 کیلوگرم به مدار برود و با 14500 کیلوگرم بازگردد.
زمان ورود فضاپیما به جو دمای زیر بدنه به 1260 درجه سانتیگراد و در لبه های فرار و نوک دماغه به 1490 درجه سانتیگراد می رسدودر ارتفاع تقریبا 47 هزار متری سرعت فضاپیما تا هشت برابر سرعت صوت کاهش می یابد و از بیشترین بازدهی حرارتی عبور می کند .در 156 هزار متری فضاپیما به محدوده پروازوارد می شود و می تواند بصورت آیرودینامیکی برای نشستن مانند گلایدر مانور دهد. برای رسیدن به کمترین وزن هواپیما 75 هزار کیلوگرم وزن خالص لازم است که برای این منظور از مواد سازه ای با بالاترین بازدهی استفاده می شود . همچنین برای رسیدن به حداقل وزن و هزینه ساخت سازه ی اصلی فضاپیما از آلومینیوم ساخته میشود. در بسیاری از قسمتها مانند درها و قسمتهایی از سیستم های مانوربمنظور دستیابی به کمترین وزن سازه از اپوکسی گرافیت استفاده میشود در این خالت آلومینیوم و گرافیت محدود به 175درجه سانتیگراد هستند تا کیفیت انها پایین نیاید .
بواسطه سرعت زیاد شاتل در هنگام پرواز وورد به جو بدنه شاتل باید دمای زیادی را تحمل کند . در طراحی شاتلها از تکنیک های گوناگونی برای محافظت از سوختن یک قطعه استفاده میشود. برخی از این تکنیک ها شامل استفاده از یک چاه گرمایی و برخی هم شامل استفاده از فلزهای کاهنده ای بودندکه می سوختند و تبخیر می شدند. در نتیجه هیچ کدام از شاتل ها قابل استفاده مجدد نبودند . برای رفع این مشکل متخصصان توانستند از مواد وتکنیک هایی استفاده کنند که شاتل را محافظت کنند. حضور سرامیک ها در شاتل باعث تحمل دمای زیاد ودر عین حال به حداقل رساندن وزن شاتل میشوند. همچنین بر اثر رانش فراوان درهنگام پرتاپ شاتل و سرعت بسیار زیاد در هنگام ورود و خروج ازجو, ارتعاشات صوتی فراوان بوجود می آید, که عایق بندی سرامیک های مخصوصی این ارتعاشات را میرا می کند.از طرفی بخش زیادی از نیروی بالا برنده (برآ)در شاتل توسط اختلاف فشارسطوح آیرودینامیکی تامین میشود و حضورسرامیک هاباعث دراختیار داشتن سطوح صاف و صیقلی می شودکه این موضوع برآی بسیار بالایی راتولید می کند.بارگذاری حرارتی درسطوح مختلف بدنه شاتل متفاوت است و از اینرو میزان حرارتی که درهرقسمت تولید میشودعایق بندی های مخصوص همان دامنه دمایی طراحی میشوند که از جمله ان میتوان به کربن تقویت شده باکربن (برای دماهای بالاتر از 1260درجه سانتیگراد ) کاشی های عایق دما بالای چند برابر مصرف سطحی(برای دماهای پایینمتر از 1260درجه سانتی گراد) کاشی های عایق دیرگذار کامپوزیت رشته ای عایق پیشرفته انعطاف پذیر چندبرابرمصرف سطحی(برای دمای پایینتراز650درجه سانتی گراد)کاشی های عایق دمای پایین چندبار مصرف سطحی(برای دمای پایینتر از650درجه سانتیگراد) عایق نمدی بااستفاده ا ز نامکس روکش سده چندبار مصرف اشاره کرد .
سیستم محافظت حرارتی شامل مواد گوناگونکاربردی برای حفاظت پوسته در دماهای قابل قبول است. بعلاوه آنها قابلیت استفاده مجدد در 100 ماموریت را نیز در صورتی کهمجددا بازسازس شوند را دارا میباشند . همچنین این چنین مواد در محدوده دمایی 155-درجه تا دمای بازگشت به جوکه حدود 1650 درجه سانتیکراد است قابل استفاده هستند .به طور کلی tps از یک پوشش عایق تشکلیل شده است . ممکن است عایق ها از یم پوشش قابل انعطاف یا کاشی های قالب بندی شده باشند. بهر حال در برخی قسمتهای وسیله (مخصوصا لبه حمله) ممکن است گرما و فشار بسیار شدید باشد . بطوری که کاشی ها نتوانند محافظت کافی را فراهم اورند. در این قسمتها کامپوزیت های مقاوم دما بالا و محکم مستقیما با سازه های آیرودینامیکی بکار رفته انداین سطوح داغ نیروهای بالابرنده ای را به بدنه و بالها مانند یک نیروی عمود بر لبه حمله انتقال میدهدو بعلاوه از ضربه شدید هنگام ورود به جو جلوگیری می کند همچنان که ذکر شد tps سیستمی است که شامل مواد ویژای جهت پایداری در دماهای بالاست که این مواد بشرح زیرند:
عایق سطح قابل استفاده مجدد: این گروه شامل سه مادهو دورنگ هستند و بیشتر در قسمت بالها وچرخ های شاتل را پوشش می دهند. این سه ماده کامپوزیتهای هستند که که اکثرا از الیاف سیلیکا همراه با مواد افزودنی گوناگون دیگری ساخته شده اند.عملیات حرارتی در این روش شبیهبه پخت سرامیک هاستکه میتواند باشیش های سفید یا سیاه پوشانده شود.این کاشیها در دونوع lrsiو hrsi بشرح زیر می باند :
کاشی دمای پایین برای عایق کاری سطح : این کاشی ها برنگ سفید هستند و در قسمتهای معینی از جلو و وسط و عقب بنه,
اطراف اطاق خلبان دم قائم,بالای بالها و پوسته استفاده میشوند. این کاشی ها مناطقی را که دما در انها زیر 650درجه سانتیگراد است پوشش می دهند و نور خورشید را نیز منعکس میکنند.این کاشی ها از ساختمان سیلیکا با درجه خلوص 8/99 درصد هستند که ضخامت آنهاتوسط برخورد بار گرمایی طی واردشدن به جو معین میگردد.

پرتاپ شاتل فضایی گاهی باعث از دست رفتن کاشیها در مدت زمان بلندشدن میشود.این مسئله بوسیله تولید صدای شدید موتور شاتل در اثرنیروی آیرودینامیکی در مدت بالا رفتن است.

یک پوشش سفید نوری و مقاوم به رطوبت با اضخامت 10 میل , در بالا و اطراف بدنه فضاپیما بکار می رود که این پوشش از ترکیبات سیلیکا همراه با اکسید آلومینیوم ساخته شده است .
کاهش ما برالی عایق کاری سطح: این کاشی ها برنگگ سیاه هستند و مناطقی را که حداکثر دما 650 درجه سانتیگراد تا 1260درجه سانتیگراد است پوشش می دهند و همچنین کمک می کند که دما در مدت بازگشت به جو ساطح شوند. این به کارگیری در مناطقی بررویقسمت بالایی بدنه جلوی فضاپیما و در اطراف پنجره های بدنه جلویی فضاپیما (درست در قسمت پایین وسیله که rccاستفاده نمیشود.) سرت می گیردHRSI از سیلیکات چگالی پایین و با درصد خلوص بالا و8/99 درصد فیبر آمورف (فیبر از ماسه معمولی با ضخامت یک تا دو میل نتیجه میشود) عایق بوسیله یک اتصال سرامیکی به جسم صلب تشکیل شده است .90درصد کاشی ها توخالی هستند وده درصد باقیمانده ماده است .
باید دانست این کاشی ها در ضخامت 2/5 تا 12/5 سانتی متر تغییر می کنند و ضخامتهای متغیر بوسیله بارحرارتی در هنگام ورود به جو بوجود می آیند . بطورکلی کاشی های HRSI در سطوح جلویی فضاپیما ضخیم تر و درقسمت های انتهایی باریکتر هستند.
این کاشی ها در اندازه ها و اشکال مختلفی در قسمتهای بیرونی فضاپیما وجود دارند و در شرایط سرد و معلق در مدار, شوک های گرم وسرد مکرر حرارتی ومحیط های آکوستیک درحین پرواز دوام می آورند.برای مثال کاشی های درکوره 1260درجه سانتی گراد شکل داده میشوند و میتواند در آب سرد بدون آنکه گرمای سطح بسرعت از بین برود فرو روند. یک کاشی روکش دار میتواند با دست بدون دستکش فقط چند ثانیه بعد از بیرون آوردن ازدرون کوره و در حالیکه هنوزقرمز است گرفته شود . دقت کنید که این کاشی ها نمی تواند در زیر تغییر شکل بار بدنه مقاومت کنند بنابراین ایزولاسیون تنش بین کاشی ها و سازه هواپیما ضروری است .این ازولاسیون بوسیله یک لایه ایزولاسیون کرنشی (SIP) فراهم میشود.
Sipها کاشی ها را از تغییر شکلهای ساختاری هواپیما, تحریک صوتی و انبساط وشکست ناشی از تنش بدور نگه می دارند sipها عایق های ساخته شده از ماده نمد نامکس هستند که در ضخامت های 225/0 3/0یا 4/0 سانتی متر فراهم میشوند. آناه به کاشی ها متصل میشوند و چجموع کاشی ها به ساختمان فضاپیما متصل میشوند.
تا زمانیکه انبساط و انقباض حرارتی در مقایسه با سازه ی فضاپیما , بسیار کم باشد لازم است که شکاف ها 25 تا 65 میل که بین آنها قرار دارند برای جلوگیری از تماس کاشی به کاشی از بین بروند.عایق بندی مواد نمدنامکس باید در کف شکاف هعای بین کاشی ها قرار گیرد که بعنوان یک میله پرکننده از ان استفاده میشود مواد در یک ضخامت مناسب برای فراهم میشود و بصورت نوارهای 875/1 سانتیمتر بریده می شوند و به سازه می چسبند. میله پرکننده مقاومت حرارتی حدود 425 درجه سانتیگراد در قسمت بالا دارد . دیگر کاشی ها با عناوین عایق کامپوزیتی شکست فیبری frci)) و عایق فیبری پارچه مستحکم شدهTUFI)) شناخته می شوند که سطوح را دردرجه حرارتی بین 650تا 1260 درجه سانتی گراد محافظت می کنندو در میزان کمی استفاده میشوند .TRCI در قسمت های معدودی و tufi بیشتر در قسمتهای عقب فضاپیما نزیک موتور استفاده میشوند. کاشی های frci بوسیله مرکزتحقیقات ایمزناسا توسعه یافته است.
FRCI-12 HRSI کاشی هایی هستند که از یک کاشی با استحکام بالا با افزودن AB312 (الیاف برید سیلیکات آلومینیوم یا نکستل) بدست می آیند. با افزودن این الیاف کاشی FRCI-12 HRSI به کاشی سیلیکاتی خالص آبدار تبدیل میشود . الیاف سیلیکاتی خالص را در طول سینتریک در دمای بالا جوش میدهند. مواد مقاوم الیاف کامپوزیتی حاصله , شامل 20% نکستل و80% الیاف سیلیکا هستند که کلا خواص فیزیکی متفاوتی از کاشی سیلیکا با درصد خلوص 8/99%دارند.