Quali materiali possono sopravvivere nello spazio?

7 giugno 2019

Lo spazio mette tutti i materiali sotto forte stress, permettendo solo ai prodotti più robusti di sopravvivere. Testare i materiali per lo spazio è fondamentale per garantire che i dispositivi che li utilizzano durino nelle peggiori condizioni conosciute dall’umanità senza un servizio di riparazione in vista. Senza test, gli sforzi per mettere in orbita i satelliti non servono a nulla quando i dispositivi falliscono nel calore dell’atmosfera o nel freddo dello spazio. Un esame approfondito è più di una serie di passi nel processo. Dovrebbe essere una componente essenziale per garantire la sopravvivenza dei prodotti aerospaziali.

Quali sono le dure condizioni dello spazio?

Lo spazio mette i satelliti e altri dispositivi in condizioni estreme. Temperatura, gravità, radiazioni e pressione sono solo alcune delle variabili che non sono come quelle sulla Terra. Qualsiasi cosa che ha bisogno di andare in orbita e sopravvivere per un certo periodo di tempo dovrebbe avere resistenza a livelli estremi di questi fattori.

Picchi di temperatura

Le temperature passano da alte a basse quando un dispositivo in orbita si muove alla luce del sole o dietro l’ombra della Terra. Per esempio, la navicella Orion della NASA, progettata per viaggiare fuori dall’orbita lunare, sperimenterà temperature che vanno da -101 a 288 gradi Celsius (da -150 a 550 gradi Fahrenheit). Poiché l’Orion trasporterà un equipaggio umano, la temperatura all’interno degli alloggi di vita e di lavoro deve rimanere stabile a 25 gradi Celsius (77 gradi Fahrenheit).

Per realizzare questo compito, la NASA combinerà controlli di temperatura e un sistema di protezione termica per mantenere gli astronauti al sicuro. Le temperature diventano ancora più estreme al rientro. Muovendosi ad una velocità di 25.000 mph, l’attrito dell’atmosfera genererà calore intorno al veicolo spaziale fino a 2.760 gradi Celsius (5.000 gradi Fahrenheit). Gli scudi termici AVCOAT del veicolo proteggeranno la nave a proprie spese. Questi scudi monouso si disintegreranno durante il rientro.

Gravità

Lancio di un veicolo spaziale richiede di superare l’attrazione gravitazionale della Terra, ma durante lo slancio verso l’alto di lasciare la piattaforma di lancio, il veicolo sperimenterà fino a tre volte la forza di gravità della Terra. I materiali usati sul veicolo spaziale non possono rompersi, piegarsi o indebolirsi sotto tali effetti.

Dopo che il veicolo va in orbita, la forza gravitazionale scende quasi a zero. Questo passaggio da una forza gravitazionale elevata a nessuna forza gravitazionale può compromettere l’integrità dei materiali di bassa qualità o di quelli non progettati per sopportare tali sollecitazioni.

Radiazioni

Al di fuori della protezione dell’atmosfera terrestre, i livelli di radiazione aumentano. Ma i valori che raggiungono un veicolo spaziale dipendono da quanto in alto quel veicolo orbita intorno al pianeta. Quelli in orbita terrestre bassa sperimenteranno meno radiazioni di quelli in orbite più alte o destinati a viaggi ancora più lontani. Le tempeste solari possono aumentare drasticamente i livelli di radiazione con poco preavviso.

Sull’Orion, che sperimenterà molte più radiazioni dei satelliti nell’orbita terrestre, diversi sistemi ridondanti proteggeranno il veicolo e gli astronauti dalle radiazioni. Quattro sistemi informatici continueranno a controllarsi durante tutto il viaggio. Un computer di backup separato manterrà la navicella in funzione nel caso in cui le radiazioni dovessero far fallire gli altri quattro computer. Gli astronauti avranno un rifugio appositamente schermato in cui ritirarsi in caso di tempeste solari, e la NASA sta attualmente testando un abbigliamento unico di protezione dalle radiazioni che gli astronauti possono rapidamente indossare per mantenere i loro organi al sicuro dai danni delle radiazioni.

Pressione

La navicella sperimenterà forze interne ed esterne. Per esempio, la pressione interna dall’ossigeno all’interno della Stazione Spaziale Internazionale è di 15 libbre per pollice. La struttura della navicella deve resistere a questa forza dall’interno, oltre a mantenere la sua forma a causa delle pressioni esterne su di essa, come i cambiamenti gravitazionali durante il lancio.

Impatti

Con il tempo, il numero di satelliti defunti ancora in orbita è aumentato. Questi gusci creano grandi quantità di spazzatura spaziale intorno alla Terra, e qualsiasi imbarcazione in orbita subirà diversi impatti da questi rifiuti. Come i satelliti attuali, i modelli più vecchi avevano costruzioni altrettanto resistenti. Quindi, i loro materiali sono robusti e possono creare danni significativi ai nuovi satelliti che non possono sopportare gli impatti.

In orbita, la spazzatura spaziale non è l’unico problema per i satelliti. Le meteore possono raggiungere velocità superiori a quelle dei proiettili, 42 chilometri al secondo (26 miglia al secondo). A queste velocità, anche piccole rocce spaziali possono perforare una parte debole di un satellite. I detriti naturali e di origine umana sono minacce reali per qualsiasi veicolo spaziale, ed è per questo che testare gli impatti durante i programmi di test dei materiali dovrebbe essere una parte essenziale della creazione di qualsiasi veicolo spaziale orbitante.

Vibrazioni

Le vibrazioni possono non verificarsi nello spazio, ma i veicoli spaziali sperimenteranno molto movimento durante e immediatamente dopo il lancio. Il test della sinusoide Swept esamina come i satelliti gestiscono una varietà di frequenze di vibrazione. Testando una serie di movimenti sui materiali, gli scienziati possono trovare i punti deboli e correggerli prima che il veicolo raggiunga l’orbita.

Quali tipi di oggetti devono sopravvivere nello spazio?

Varie navi devono essere costruite per resistere agli estremi dello spazio. Satelliti, navette e persino unità di mobilità extraveicolare (EMU) hanno tutti bisogno di componenti che proteggano da impatti, pressione, radiazioni e sbalzi di temperatura. Poiché tutti questi devono resistere a condizioni simili con solo i livelli che variano, i test di sopravvivenza si sovrappongono per molti tipi di veicoli spaziali.

I satelliti sono i veicoli spaziali più comuni. La Terra ha 1.500 satelliti attivi in orbita, sia commerciali che di proprietà del governo. Oggi, tutto, dal GPS alle comunicazioni, proviene dai satelliti. Se uno di questi orbiter fallisce, milioni di utenti potrebbero trovarsi in perdita. Inoltre, la compagnia che gestisce l’orbiter dovrebbe pagare per un altro lancio. Testare i satelliti per lo spazio assicura che gli investimenti delle aziende nei loro veicoli spaziali siano ben posizionati.

I singoli materiali devono essere testati sulle imbarcazioni, e anche i sistemi richiedono un esame. Per i satelliti, le batterie, le celle a combustibile, i pannelli solari, il sistema di comunicazione, i componenti elettrici e le antenne sono solo alcuni degli elementi che testiamo per garantire che funzionino correttamente una volta che il dispositivo raggiunge l’orbita.

I satelliti destinati all’orbita geostazionaria richiedono test per verificare il funzionamento della loro propulsione e la longevità dei sistemi di bordo per consentire al veicolo di durare per dieci anni o più. Questi satelliti più grandi hanno sistemi più complessi, più parti e, di conseguenza, richiedono più test.

Anche le imbarcazioni più piccole in orbite più basse hanno bisogno di test per garantire che possano raggiungere l’altitudine orbitante in sicurezza e fare il loro lavoro correttamente. Sottoponendo i piccoli satelliti a test di simulazione spaziale, possiamo vedere come il dispositivo sopravviverà alle temperature, all’umidità e alla pressione dello spazio.

Oltre ai satelliti, le apparecchiature a bordo di essi, compresi i dispositivi di comunicazione e le telecamere, devono avere la resistenza per resistere alle stesse condizioni. Le simulazioni spaziali possono aiutare a confermare che questi dispositivi hanno una protezione adeguata dalle dure condizioni che sperimenteranno durante l’uso.

Mentre si assicura che il veicolo spaziale nel suo complesso e le sue attrezzature reggeranno durante l’uso, prima di costruire il veicolo, gli ingegneri devono sapere che i materiali utilizzati non si romperanno se sottoposti alle condizioni estreme dello spazio.

Come i test dei materiali garantiscono la sopravvivenza nello spazio

Nella progettazione di veicoli spaziali, gli ingegneri devono conoscere i tipi di materiali da utilizzare. Testare gli elementi nelle forme e negli spessori progettati garantirà che possano sopportare lo stress di andare in orbita.

I test dei materiali spaziali non possono essere una parte del processo di progettazione che gli ingegneri trascurano. Le condizioni sulla Terra differiscono così tanto dallo spazio che i materiali usati per un satellite non sperimenteranno le circostanze dell’orbita fino a dopo il lancio senza un test preventivo. Nessuna azienda vuole scoprire che il suo veicolo spaziale si è guastato appena entrato in orbita.

Per esaminare a fondo la resistenza dei materiali, i tester li sottopongono a una raffica di test per sollecitazioni multiple che i materiali sperimenterebbero nello spazio.

• Impatti: Oggetti naturali e artificiali bombardano quotidianamente i satelliti in orbita. I test di impatto assicurano che i materiali possano resistere a colpi intensi.
• Corrosione: Questo tipo di test verifica la durata della vita prima che il materiale si rompa.
• Compressione: La resistenza alla compressione è vitale per i materiali destinati a sperimentare le pressioni estreme dello spazio.
• Fatica: I veicoli spaziali sono sottoposti a intense sollecitazioni, e le prove di fatica valutano per quanto tempo i materiali dureranno sotto le forze peggiori fino al loro cedimento.
• Termico: Esporre il materiale alle temperature estreme alte e basse dello spazio fa parte del processo di test termico.
• Flessione: I materiali di supporto spesso hanno bisogno di test di flessione per vedere quanto carico le parti possono gestire prima di piegarsi.
• Infiammabilità: L’infiammabilità determina quanto bene bruciano i materiali, che si riferisce a quanto velocemente si diffonderà un incendio. Per i componenti legati alla sicurezza delle imbarcazioni aerospaziali, i materiali devono fermare le fiamme invece di farle avanzare.
• Composizione: Per i materiali compositi, una garanzia della loro composizione dà ulteriori informazioni su come usarli.
• Analisi termomeccanica: L’analisi termomeccanica guarda i cambiamenti che un materiale subisce attraverso una gamma di temperature.

I test verificano che i materiali saranno in grado di resistere alle condizioni nello spazio. Inoltre, molte agenzie di regolamentazione richiedono programmi di test per consentire l’approvazione dei veicoli spaziali per andare nello spazio. Quando conduciamo test sui materiali, garantiamo la compatibilità con i regolamenti FAA e RTCA DO-160. Soddisfacendo questi requisiti, possiamo verificare che i vostri materiali possano andare in orbita. I veicoli spaziali e i satelliti non possono sopravvivere nello spazio se non possono arrivarci per primi.

Quali materiali vengono usati nello spazio?

Non tutto può sopportare le dure condizioni dello spazio, ma alcuni materiali hanno dimostrato di eccellere in quell’ambiente.

Kevlar

Il kevlar è più frequentemente associato al suo uso in indumenti antiproiettile per i militari e la polizia. Questo materiale ha diverse proprietà che lo rendono ideale per l’uso nei veicoli spaziali. Ha una forza sufficiente per resistere ai proiettili, il che lo rende perfetto per resistere agli impatti di meteoriti e spazzatura spaziale. Inoltre, il Kevlar pesa poco rispetto alla sua durata. Può anche sperimentare temperature estreme senza danneggiare la sua struttura o cambiare la sua forma.

Alluminio

Un altro materiale comune usato nei veicoli spaziali è l’alluminio. Anche se di per sé, l’alluminio non ha la forza necessaria per l’uso spaziale, se combinato con altri metalli in una lega, la sua forza aumenta pur mantenendo la sua firma di peso leggero. La lega di alluminio si comporta così bene nei test d’impatto che la Stazione Spaziale Internazionale usa questo materiale per le sue persiane per evitare che i detriti danneggino le finestre.

Composito rinforzato carbonio-carbonio

Per il naso della navetta spaziale che ha incontrato temperature superiori a 1.260 gradi Celsius (2.300 gradi Fahrenheit), la NASA ha usato un composito rinforzato carbonio-carbonio (RCC). Altre aree della navetta spaziale che hanno sperimentato temperature altrettanto calde hanno usato questo composito.

Il vantaggio del RCC sta nella sua capacità di emettere calore applicato direttamente ad esso così come il calore indiretto. Il calore proveniente dalle superfici vicine sulla navetta viaggiava verso le parti ricoperte di RCC, dove l’RCC rilasciava il calore, aiutando la navetta a raffreddarsi, in modo simile al modo in cui un radiatore raffredda indirettamente il motore di un’auto.

Il processo utilizzato per creare l’RCC ha creato delle crepe quando i progettisti hanno applicato il rivestimento di carburo di silicio ad alte temperature. Tuttavia, quando le temperature intorno alla navetta aumentano, le crepe si chiudono. Questo cambiamento della struttura del materiale a varie temperature itera quanto sia necessario testare il contenuto. Senza un esame approfondito, una parte fatta di RCC o di composizione simile potrebbe non funzionare come previsto a temperature elevate, causando il fallimento del pezzo e del veicolo spaziale di cui fa parte.

Isolamento superficiale riutilizzabile

L’isolamento superficiale riutilizzabile ad alta temperatura (HRSI) ha un rivestimento in vetro borosilicato nero, rendendo questa superficie scura in grado di resistere alle stesse alte temperature incontrate dal cono anteriore. Le parti bianche dello shuttle hanno un isolamento superficiale riutilizzabile a bassa temperatura (LRSI) e possono sopportare solo temperature più basse, fino a 649 gradi Celsius (1.200 gradi Fahrenheit). La colorazione bianca permette un migliore controllo delle temperature all’interno della navetta dove lavoravano gli astronauti.

NASA ha sostituito l’LRSI con un avanzato isolamento di superficie flessibile e riutilizzabile (ARSI). L’agenzia spaziale ha usato l’ARSI per i successivi shuttle Atlantis, Endeavor e Discovery. L’applicazione di questo isolamento ha ridotto il costo di costruzione e il peso della navetta.

Feltro Nomex

Per le aree più fredde della navetta che hanno sperimentato temperature non superiori a 371 gradi Celsius (700 gradi Fahrenheit), la NASA ha usato un isolamento superficiale riutilizzabile fatto di feltro Nomex rivestito. La parte centrale e la coda dell’imbarcazione, oltre alle porte del carico utile, avevano questo rivestimento.

Vetro termico

Le navette spaziali avevano bisogno di finestre che permettessero agli astronauti di vedere chiaramente senza permettere al calore di passare attraverso il materiale. Il vetro termico si dimostrò la soluzione per proteggere gli astronauti dalle alte e basse temperature intorno alle finestre e dalle pressioni del viaggio nello spazio.

Silice

Il tessuto di silice riempiva gli spazi vuoti della navetta spaziale creati dalle parti in movimento, come intorno al carrello di atterraggio o alla baia di carico. Un’altra parte della navetta che ha usato la silice nelle sue varie forme è stato il cono del naso RCC, che ha usato il silicato di sodio per sigillare le crepe create durante il processo di rivestimento. La NASA ha selezionato piastrelle di silice per le zone a bassa temperatura della navetta spaziale, e i costruttori della navetta hanno usato un rivestimento in vetro borosilicato per le porzioni HRSI della nave.

Perché questi oggetti devono essere sottoposti a test approfonditi?

I programmi di test dei materiali aerospaziali determinano se i satelliti sopravvivono nello spazio così come la longevità e la durata dei materiali. Valutano anche altri fattori per garantire che i veicoli spaziali possano svolgere il loro lavoro. Senza il lavoro dei veicoli spaziali, molti sulla Terra non sarebbero in grado di lavorare a causa del fallimento del GPS o dei servizi di imaging forniti dai satelliti.

Ogni programma di test deve replicare le condizioni più estreme possibili che il veicolo spaziale dovrà sperimentare. Nel caso dei satelliti e di altri veicoli spaziali, il collaudo non è una fase singola, ma un processo che si verifica durante tutta la costruzione dell’imbarcazione.

Ogni parte del veicolo spaziale deve essere valutata anche prima che i materiali si uniscano per formare pezzi finiti. I test sui materiali dei satelliti assicurano che i componenti utilizzati per realizzare le parti reggeranno alle condizioni estreme dello spazio. Infatti, gli ambienti nello spazio sono così duri e i materiali devono resistere a forze così intense che la NASA ha creato compositi come l’RCC da usare dove le sostanze naturali falliscono. Un programma accurato di esame delle prestazioni dei materiali e delle parti del satellite fino al completamento del prodotto garantisce la longevità del satellite.

I singoli componenti devono essere sottoposti a prove, che gli ingegneri devono eseguire anche sulle parti più complesse che quei pezzi compongono. Una volta finito, il veicolo ha bisogno di un’altra serie di test per assicurarsi che sopravviva con successo in orbita. Questi test rigorosi sono un requisito per qualsiasi veicolo spaziale per verificare che resista sia alle intense forze di lancio che alle condizioni estreme nello spazio.

I programmi di test verificano che i veicoli spaziali possano ottenere il permesso di lancio soddisfacendo i regolamenti governativi per i satelliti. Inoltre, questi programmi forniscono una preziosa assicurazione per gli investitori nel satellite. Con prezzi fino a 290 milioni di dollari per un satellite meteorologico standard, tali progetti richiedono la garanzia che il mezzo sopravviva.

Al momento non esistono metodi di riparazione dei satelliti in orbita. Qualsiasi nave lanciata deve essere completamente preparata per durare abbastanza a lungo da portare a termine il suo lavoro. Quando si verificano guasti, le aziende perdono il costo della costruzione e del lancio, nonché il lavoro che il satellite avrebbe svolto in orbita. Nel caso di satelliti scientifici progettati per raccogliere dati, una tale perdita potrebbe spingere la ricerca fuori dalla sua linea temporale prevista.

Gli ingegneri devono sapere quali tipi di test sui materiali del satellite condurre. Per esempio, i livelli di radiazione dipendono dal fatto che il satellite sarà in orbita terrestre bassa o geostazionaria.

Quale tipo di test determina se i materiali possono sopravvivere nello spazio?

I test di simulazione spaziale ricreano le condizioni che i satelliti sperimentano nello spazio all’interno di una camera a vuoto termico. Questa camera esamina gli effetti di tre cose che i satelliti devono sopportare:

• Radiazione solare infrarossa
• Vuoto spinto
• Temperature estremamente fredde

Quando un satellite sperimenta queste situazioni possono verificarsi singoli eventi che non possono verificarsi nell’atmosfera terrestre a livello del mare. Per esempio, il degassamento può non verificarsi fino a quando i gas sono sotto alte temperature in un vuoto, ma questo evento è la ragione più comune per i problemi del veicolo spaziale. Essenzialmente, il test di simulazione spaziale vede quanto un satellite o le sue parti possono sopportare prima che si guasti.

A seconda dell’applicazione, possiamo adattare le simulazioni per soddisfare i regolamenti specifici, come gli standard militari per i componenti elettronici, come l’ambiente influisce sulle apparecchiature e i requisiti della RCTA per testare le apparecchiature in volo e le condizioni esterne. Soddisfare questi e altri standard vi garantisce di avere un mezzo sicuro pronto per il lancio.

Quali sono le capacità di test di NTS?

A NTS offriamo una gamma di test per materiali aerospaziali e prodotti finiti. I nostri test spaziali e satellitari includono test di propulsione e simulazione spaziale per risultati accurati che riflettono le condizioni che il dispositivo incontrerà. Poiché la vostra imbarcazione avrà bisogno di test in ogni fase della creazione, offriamo anche test dei materiali oltre a prove per le parti e i satelliti completati.

Con 50 anni di test aerospaziali, i nostri esperti conoscono esattamente i parametri che la vostra attrezzatura deve soddisfare per garantire la sopravvivenza nello spazio. Abbiamo lavorato con quasi tutti i principali programmi spaziali degli Stati Uniti. Con una tale esperienza nel collaudo dei veicoli spaziali più noti e di quelli meno noti, ma altrettanto importanti, commerciali e di altro tipo, possiamo eseguire i test di cui avete bisogno per la vostra soddisfazione.

Per ulteriori informazioni o per parlare con uno dei nostri esperti, contattateci online. Una volta che sapete che la vostra attrezzatura ha bisogno di test aerospaziali, fatecelo sapere. Vi forniremo un preventivo gratuito in modo che possiate iniziare a preparare i vostri satelliti o altre imbarcazioni per lo spazio.

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