CZ2014335A3 - Kompozitní strukturní panel pro miniaturní krychlový kosmický satelit - Google Patents

Abstract

Kompozitní strukturní panel pro miniaturní krychlový kosmický satelit sestává z kompozitového jádra (1) z vláknového kompozitu s polymerní matricí, na nějž je nanesena adhezní vrstva (2) a nejméně jedna vrstva (3) kovového povlaku pro zlepšení schopnosti panelu stínit ionizující záření a pro povrchovou ochranu kompozitních dílů.

Description

Kompozitní strukturní panel pro miniaturní krychlový kosmický satelit

Oblast techniky

Vynález se týká kompozitního strukturního panelu pro miniaturní krychlový kosmický satelit (CubeSat) pro použití v oblasti kosmického průmyslu.

Dosavadní stav techniky

Na materiály určené pro použití ve vesmíru jsou kladeny náročné požadavky. Zaprvé musí vykazovat dobré mechanické vlastnosti, aby byly schopné odolat vibracím a otřesům při startu. Dále musí být odolné vůči cyklickým změnám teploty a radiaci. Množství těkavých složek obsažené v těchto materiálech nesmí být větší než 1 % hmotn.

V posledních letech se jako možnost levného výzkumu vesmíru prosazují miniaturní satelity CubeSaty - ve tvaru krychlí o hraně 10 cm. Tyto satelity fungují na nízkých oběžných drahách a doba trvání jejich misí se pohybuje v řádu měsíců až let.

Tradičními konstrukční materiály pro vesmírná zařízení včetně CubeSatů jsou slitiny na bázi hliníku. Tyto slitiny jsou relativně odolné, na kovové materiály lehké (hustota hliníku 2,7 g/cm ) a neobsahují těkavé složky. V poslední době se mezi těmito konstrukčními materiály prosazují kompozitní materiály s polymemí matricí a výztuží z uhlíkových vláken. K jejich klíčovým výhodám patří nízká hmotnost (hustota se v závislosti na typu pryskyřice a obsahu uhlíkových vláken pohybuje mezi 1,3 a 2,0 g/cm³), při zachování co nejlepších mechanických vlastností. Jejich pevnost v tahu dosahuje více než 2 GPa a modul pružnosti v tahu až 600 GPa, zatímco pevnost v tahu nejlepších slitin hliníku dosahuje 700 MPa a jejich modul pružnosti v tahu se pohybuje kolem 70 GPa. Jejich poměr mezi pevností a hmotností je tedy výrazně lepší. Použitím kompozitních materiálů se také dá dosáhnout nulové a vyvážené teplotní roztažnosti, což je u materiálů na bázi hliníku (23 ppm/K) i dalších lehkých kovů neuskutečnitelné.

Samotné kompozitní materiály však mají oproti tradičním, hliníkovým pro použití ve vesmíru i nevýhody. Především se jedná o možný obsah těkavých složek a jejich menší odolnost vůči radiaci ve vesmíru (poškození polymemí matrice) a menší schopnost absorbovat ionizující záření, a tím chránit ostatní součásti vesmírných zařízení. Velkou nevýhodou čistě kompozitového panelu je velmi špatný odraz infračerveného záření, čímž dochází k přílišnému ohřevu celé struktury CubeSatu

Obsah těkavých složek se dá minimalizovat vhodným složením polymemí matrice pod požadovaný limit 1 % hmotn. Stejně tak se dá zvýšit radiační odolnost. Epoxidové pryskyřice běžně používané jako matrice vydrží dávku v řádu jednotek MGy bez významného zhoršení jejich ····· ··· ····· • · · · · · ··· • · ···· ····

2^— · · · · · ···· · · · · · · · · · · ··· · · · · ······ mechanických vlastností.

Pro stínění vůči ionizujícímu záření se obvykle používají materiály s velkým atomovým číslem (například tantal, wolfram nebo olovo). Tyto materiály se používají i pro stínění vesmírných zařízení, jejich nevýhodou je ovšem velká hmotnost. Pro co největší stínící schopnost při co nejmenší hmotnosti lze použít mnohovrstevnaté struktury, popsané v patentu US8460777B2 Multifunctional radiation-hardened lamináte. Tyto struktury kombinující různé vrstvy složené z atomů s velkým a malým atomovým číslem jsou ovšem vhodné pro extrémní radiační zátěž. Vzhledem k oběžné dráze a krátké době trvání misí cubesatů, však není potenciál těchto struktur plně využit, přičemž jejich výroba je příliš komplikovaná a nákladná. Klíčové je, aby se schopnost stínit ionizující záření u kompozitního panelu pro CubeSaty alespoň vyrovnala hliníku, čehož je v tomto vynálezu dosaženo kovovým povlakem naneseným vakuově, galvanicky či bezproudově přímo na kompozit s polymerní matricí.

V patentu EP 1120795A1 - Laminated lightweight radiation shielding materials - je popsána tří vrstevnatá stínící struktura pro vesmírná zařízení, ve které tvoří materiál s velkým atomovým číslem středovou vrstvu a krajní vrstvy jsou tvořené materiálem s malým atomovým číslem, jako je kompozit s polymerní matricí. Podobné struktury, obsahující materiály s velkým Z uvnitř vrstev kompozitního materiálu, ať už jako vlepené nebo zapolymerované fólie nebo částicovou výplň, byly dále vyvíjeny v rámci projektu SIDER (Radiation shielding of composited space enclosures). Ačkoli tyto struktury mohou mít v některých případech lepší stínící schopnosti než kompozitní materiál s kovovým povlakem, zabudování stínících vrstev do kompozitu zhoršuje mechanické vlastnosti, kdežto vhodný kovový potah je naopak zlepší.

Zlepšení mechanických vlastností a odolnosti vůči teplotnímu cyklování kompozitu s polymerní matricí pomocí kovových povlaků bylo popsáno například v patentech US8394473B2 - Metalcoated polymer article of high durability and vakuum and/or pressure integrity - a US4815940 Fatigue strenghtened composite article. Tyto patenty se ovšem zabývaly výlučně zlepšením mechanických vlastností bez ohledu na ostatní výše zmíněné vlastnosti potřebné pro strukturní panely pro vesmírná zařízení.

Cílem vynálezu bylo eliminovat všechny popsané nevýhody a vyvinout složení kompozitního strukturního panelu pro CubeSat pro použití v oblasti kosmického průmyslu.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky odstraňuje kompozitní strukturní panel pro miniaturní krychlový kosmický satelit podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že sestává z kompozitového jádra z vláknového kompozitu s polymerní matricí,, na nějž je nanesena adhezní vrstva a nejméně jedna • · · · • · • · · ·

vrstva kovového povlaku, která zlepšuje schopnost panelu stínit ionizující záření a slouží jako povrchová ochrana kompozitních dílů, případně zlepšuje jejich funkční vlastnosti. Tloušťka, složení a počet povrchových vrstev se může libovolně měnit v závislosti na předpokládaném použití konkrétního dílu.

Takový strukturní panel, sestávající z kompozitového jádra a nejméně jedné vrstvy kovového povlaku, podle tohoto vynálezu má oproti strukturním panelům z tradičních materiálů (hliník a jeho slitiny) i oproti čistě kompozitovým panelům řadu výhod. V prvé řadě je lehčí než panel vyrobený ze samotného hliníku či jeho slitin, přičemž jeho specifická hmotnost závisí na druhu kompozitového jádra a povlaku a na poměru jejich tlouštěk. Kompozitní strukturní panel má výrazně lepší mechanické vlastnosti než hliník a jeho slitiny. Umístění kovové vrstvy/vrstev na povrchu kompozitového jádra navíc umožňuje využít mechanických vlastností souvislé kompozitové vrstvy, v čemž spočívá výhoda vynálezu oproti kompozitním panelům s vloženými fóliemi, které narušují jejich celistvost. Odolnost kompozitního strukturního panelu vůči vibracím, které namáhají vesmírná zařízení při startu, je podle tohoto vynálezu také větší, než odolnost hliníkového strukturního panelu i kompozitového strukturního panelu bez kovového povlaku.

Kompozitní strukturní panel má lepší tepelné vlastnosti než hliníkové a čistě kompozitové strukturní panely. Panel s použitím uhlíkových vláken o symetrické skladbě jako výztuže kompozitového jádra vykazuje nulovou a vyváženou teplotní roztažnost, čímž výrazně předčí panely z hliníkových slitin. Kovový povlak odrazivost infračerveného záření výrazně zvětšuje.

Schopnost kompozitního strukturního panelu stínit ionizující záření nacházející se ve vesmíru, se podle vynálezu vyrovná a případně v závislosti na typu povlaku a poměru mezi tloušťkou kompozitu a povlaku i předčí stínící schopnost hliníku a jeho slitin. To se jeví být podstatnou výhodou oproti čistě kompozitovým panelům, které mají horší stínící schopnost než hliník a jeho slitiny.

Další výraznou výhodou kompozitního strukturního panelu podle vynálezu oproti tradičním strukturním panelům z hliníkových slitin je možnost přizpůsobovat jeho vlastnosti - mechanické a teplotní vlastnosti, specifickou hmotnost, schopnost stínit ionizující záření atd. - skladbou kompozitového jádra a typem a tloušťkou vrstev na míru konkrétním vesmírným misím.

• ·

Objasnění výkresů

Vynález bude blíže vysvětlen pomocí obrázků, kde na obrázku 1 je vyobrazen řez strukturním panelem, na obrázku 2 je demonstrován vliv kovového povlaku na odstranění nedostatečné stínící schopnosti uhlíkového kompozitu s polymerní matricí v porovnání s hliníkem a obr. 3 ukazuje výsledky vibrační zkoušky vzhledem k různým materiálům.

Příkladyiskutečnění vynálezu

Příkladem uskutečnění vynálezu je strukturní panel vyobrazený na obrázku 1. Kompozitové jádro 1 je tvořeno deskou z uhlíkového kompozitu o tloušťce 1 mm obsahující 5 vrstev uhlíkové tkaniny o symetrické skladbě a 40 % hmotn. epoxidové pryskyřice jako matrice. Uhlíkový kompozit je vyřezán do požadovaného tvaru včetně všech funkčních otvorů. Na kompozitovém jádru 1 je nanesena adhezní vrstva 2 sestávající z 50 až 150 nm slitiny niklu s přídavkem dalšího těžkého kovu v poměru (1:1) 200 až 500 nm niklu a 200 až 500 nm ušlechtilého kovu. Tato adhezní vrstva byla na kompozitové jádro nanesena metodou magnetronového naprašování. Na adhezní vrstvě 2 se nachází povlak 3 tvořený vrstvou niklu o tloušťce 40 pm. Povlak 3 je na kompozitové jádro 1 s adhezní vrstvou 2 nanesen elektrochemicky. Adhezní vrstva 2 tedy zároveň slouží jako rovnoměrně elektricky vodivý podklad pro elektrochemicky vyloučený povlak 3.

Panel podle tohoto vynálezu má specifickou hmotnost 2,1 g/cm . Jeho pevnost v ohybuje stejná jako pevnost v ohybu nepokoveného kompozitového panelu a modul pružnosti v ohybu je v porovnání sním o 12 % vyšší. Koeficient délkové teplotní roztažnosti se pohybuje okolo 3 ppm/°C. Odrazivost infračerveného záření dosahuje u tohoto panelu 80 % odrazivosti standardní zlaté roviny.

Při vibrační zkoušce vykázal tento panel lepší odolnost (menší posun rezonanční frekvence) než čistě hliníkový panel i než panel z téhož kompozitu bez kovového povlaku (viz tabulka 1).

Schopnost panelu stínit ionizující záření ve srovnání s hliníkovým panelem o stejné plošné hmotnosti je znázorněna na obrázku 2. Porovnání bylo provedeno pro spektrum energetických elektronů, které nejvíce přispívají k celkové dávce absorbované vesmírnými zařízeními, nacházející se na modelové oběžné dráze o výšce 600 km a sklonem 98°. Jako modelová struktura byl použit uhlíkový kompozit o tloušťce 1 mm s niklovým povlakem o proměnné tloušťce. Stínící schopnost je «5 vynesena relativně jako dávka absorbovaná detektorem po průchodu hliníkem o stejné plošné hmotnosti, jako modelová struktura ku dávce absorbované detektorem po průchodu záření modelovou strukturou. Zatímco samotný uhlíkový kompozit odstíní pouze 80 % energie záření v porovnání s hliníkem o stejné plošné hmotnosti, stínící schopnosti uhlíkového kompozitu opatřeného niklovým povlakem o tloušťce na 40 μηι mírně předčí stínící schopnost hliníku o stejné plošné hmotnosti. Nelineární průběh závislosti stínící schopnosti je způsoben tvorbou sekundárního záření při průchodu ionizujícího záření materiálem.

Kompozitní strukturní panel podle tohoto vynálezu lze uskutečnit následujícím způsobem. Nejprve se vyrobí a do požadovaného finálního tvaru opracuje kompozitový díl. Tento díl se učiní elektricky vodivým pomocí nanesení vodivého materiálu (kovová vrstva nanesená pomocí některého z druhů vakuové depozice (například naprašování) nebo bezproudové depozice, vodivý prášek či vlepená vodivá fólie). Hlavní funkční vrstva se poté nanese elektrochemicky galvanickým pokovením. Tímto způsobem lze kompozitový díl opatřit vrstvami o tloušťkách v řádu mikrometrů až milimetrů.

Výše uvedený příklad nevylučuje pro uskutečnění vynálezu další kroky či nanesení odlišného počtu a typu vrstev, jejichž výsledkem je produkt odpovídající patentovému nároku.

Průmyslová využitelnost

Kompozitní strukturní panel podle tohoto vynálezu je určen pro použití jako strukturní panel pro malé družice - CubeSaty. Díky kovovým vrstvám jsou tyto díly radiačně odolné a použitelné jako stínění proti ionizujícímu záření. Kovové vrstvy také zvyšují tepelnou vodivost panelu a jeho schopnost odrážet infračervené záření, čímž umožňují chránit kompozitní strukturní panel proti přílišnému zvýšení teploty. Vláknový kompozit naopak panelu poskytuje mechanickou pevnost a tuhost a nulovou a vyrovnanou tepelnou roztažnost. Míra těchto vlastností je dána konkrétní kombinací kompozitu a kovových vrstev.

Claims (1)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   l. Kompozitní strukturní panel pro miniaturní krychlový kosmický satelity/ yznačující se tí m, že sestává z kompozitového jádra (1) z vláknového kompozitu s polymerní matricí, na nějž je nanesena adhezní vrstva (2) a nejméně jedna vrstva (3) kovového povlaku, pro zlepšení schopnosti panelu stínit ionizující záření a pro povrchovou ochranu kompozitních dílů.