De Frank Tobe 21 noiembrie 2014

grafit carbon

Vehiculul Orion Ground Test la Centrul Spațial Kennedy al NASA. Ecranul circular împotriva căldurii este vizibil chiar la baza vehiculului. Imagine oferită de NASA.

Protejat de coaja rachetei sale de lansare în timpul exploziei, vehiculul cu echipament multifuncțional Orion (MPCV) al NASA trebuie să se întoarcă singur pe pământ la sfârșitul misiunii. Pentru a menține capsula și echipajul în siguranță sub sarcinile uriașe de reintrare și stropire - temperaturi care depășesc 4.800 ° F și viteze de până la 25.000 mph - o viteză de 16,4 ft. Sistemul de protecție termică ablativă cu diametru este fixat pe baza MPCV cu o structură purtătoare de grafit de carbon și titan.

Pe măsură ce ecranul termic atinge temperaturi extrem de ridicate, porțiuni din acesta se îndepărtează de vehicul pentru a elimina energia termică excesivă. Structura purtătoare rămasă trebuie să supraviețuiască impactului atunci când lovește apa pentru a ajuta la menținerea intactă a modulului astronautului.

La sfârșitul verii anului 2012, inginerul șef al NASA pentru proiectul Orion, Julie Kramer, a contactat Centrul de Inginerie și Siguranță (NESC) al agenției spațiale și a solicitat câteva idei noi despre cum să reducem masa navei spațiale. Misiunea NESC este de a efectua teste, analize și evaluări independente cu valoare adăugată a proiectelor NASA cu risc ridicat pentru a asigura siguranța și succesul misiunii.

(Sus) Orion Multi-Purpose Crew Vehicle test splashdown și (Bottom) software simulare a sarcinilor pe vehicul în timpul evenimentului extrem de dinamic.

Cum să scoateți o încărcătură

La aproximativ 3.000 lb, designul compozit și titan „de bază” pentru structura purtătoare în formă de roată de vagon care suportă sistemul de protecție termică al MPCV este una dintre cele mai mari componente ale modulului echipajului și o țintă principală pentru reducerea greutății.

Echipa de proiectare, care a inclus Mike Kirsch, manager de proiect și inginer principal al echipei de evaluare a structurii Orion Shield Heat Shield, și conducătorul tehnic Jim Jeans, președintele Structural Design & Analysis, Inc., au folosit HyperSizer al Collier Research Corp.

Primul software comercializat din NASA, HyperSizer analizează stresul, optimizează dimensionarea și reduce greutatea aeronavelor, a palelor turbinei eoliene și a altor structuri. Fie că este proiectat cu materiale compozite sau metalice, o optimizare tipică HyperSizer produce economii de greutate între 25 și 40%.

Concepte structurale alternative

Proiectarea liniei de bază pentru scutul termic consta dintr-o piele solidă din carbon-grafit din laminat solid fixată pe capsulă printr-o structură purtătoare cu un model în formă de spiță de grinzi I din titan în formă de roată de vagon. Proiectele din grafit de carbon sunt adaptabile, deoarece modificările pot continua să fie făcute pe drumul către fabricarea finală. Cu scopul inițial de a tăia 800 lb, echipa NESC a luat în considerare atât modificările materiale, cât și structurale ale liniei de bază.

„Trebuia să venim cu o structură mai ușoară care să reziste la presiunea aerodinamică a reintrării în atmosfera Pământului și să susțină sistemul de protecție termică, astfel încât materialul ablativ din scutul termic să-și poată face treaba”, a spus Kirsch. „Reintrarea este un caz de încărcare destul de sever. Dar și mai important este atunci când modulul echipajului lovește efectiv apa. Acea aterizare pe apă este evenimentul care conduce designul structurii purtătorului scutului termic. Folosind parașute, încercăm să scoatem din ea cât mai multă energie înainte de acel impact, care este o situație dificilă, dinamică, bazată pe condițiile de vânt și val. În mod ideal, doriți ca capsula să fie cuțită, nu burtă. Proiectarea trebuie să fie robustă pentru gama largă de condiții posibile de vânt și val. ”

HyperSizer a evaluat diferite concepte structurale pentru structura purtătorului scutului termic. Pielea compozită de bază cu șiruri de titan I (imaginea din stânga jos) a fost evaluată în raport cu modelele alternative rigidizate în rețea metalică (imagini din dreapta, sus și jos).

Echipa a dezvoltat o serie de modele analitice pentru a prezice modul în care structura purtătorului scutului termic în ansamblu și rețelele de suport interne ar reacționa într-o serie de scenarii de împrăștiere. Simulările de aterizare au fost efectuate în soluția LS-DYNA tranzitorie neliniară pentru analiza elementelor finite (FEA). Simulările dinamice de aterizare au fost încărcate în HyperSizer, care apoi a controlat parametrii relevanți (cum ar fi grosimea materialului și amplasarea rigidizatorilor) în cadrul fiecărui model pentru a optimiza și apoi a compara diferite modele.

"Deoarece poate evalua simultan diferite combinații ale variabilelor care influențează proiectarea, HyperSizer a identificat rapid acele configurații care au avut cea mai mică masă", a spus Kirsch. "Am putea privi diferite soluții, materiale, aspecte - în acest caz tipare ortogrile - înălțimi și densități."

Software-ul afișează imagini rezumative care arată cazurile de încărcare critice, marjele de siguranță sau modurile de eșec. „Acest lucru este atât de puternic din punct de vedere al prezentării, întrucât a permis proiectanților și experților să vizualizeze cu ușurință împreună ceea ce se întâmpla”, a spus Jeans. „Și un schimbător de joc pentru mine este abilitatea de a face tranzacții între diferite metode de construcție, cu comparații între mere și mere. Am putea investiga diferite configurații și a fi siguri că facem alegerile corecte. ”

„HyperSizer ne-a permis să studiem rapid aproximativ 40 de variante diferite”, a spus Kirsch, „uitându-ne la oțel, aluminiu, inox, titan, grafit de carbon, sisteme de tip fagure, rigidizate în T, rigidizate în I și așa mai departe. În decurs de zece săptămâni, identificasem o jumătate de duzină de candidați cu configurații de masă minime care depășeau semnificativ obiectivul nostru inițial de reducere de 800 lb ".

Close-up (stânga sus) arată detaliile ortogrilei din titan care alcătuiește pielea designului final al scutului termic NESC (dreapta jos).

James Ainsworth, inginer structural pentru Collier Research, a spus: „Simulările de aterizare evaluate sunt similare cu un accident de mașină în care un vehicul trântește ceva cu o viteză mare și întregul eveniment are loc în câteva milisecunde. Software-ul nostru a permis echipei să evalueze tensiunile și tulpinile la fiecare etapă și să utilizeze aceste date pentru dimensionarea detaliată și analiza finală. ”

„Pentru a pune asta în perspectivă”, a continuat Ainsworth, „fiecare dintre aceste evenimente de aterizare a avut aproximativ 12 GB de date și am analizat aproximativ 50 de aterizări”.

Pe măsură ce modulul echipajului afectează apa, un val de stres ridicat se mișcă peste scutul termic. Simularea aterizării se realizează mai întâi în LS-DYNA, apoi HyperSizer importă sarcinile interne la fiecare pas dinamic de timp milisecundă.

Tipul de analiză tranzitorie și dinamică pe care NESC a efectuat-o pe candidații la scut termic este o caracteristică nouă în HyperSizer, versiunea 7. „Am inclus noi metode analitice pentru redistribuirea sarcinii care se întâmplă atunci când aveți răspunsuri materiale și geometrice neliniare, cum ar fi plasticitatea materialului și îndoirea plasticului. HyperSizer gestionează, de asemenea, evenimentele dinamice de aterizare prin procesarea a mii de pași de timp pentru fiecare simulare de aterizare ”, a spus Ainsworth.

Echipa NESC a luat în considerare modele alternative care foloseau partajarea încărcăturii cu coloana vertebrală a modulului echipajului, înlocuiau corzile existente cu roți de vagon cu o configurație cu fascicul H sau au schimbat pielea compozită din grafit de carbon pe o piele ortogridă din titan. Versiunea ortogridă din titan a apărut ca propunerea lor finală.

Înțelegerile NESC din HyperSizer analizează discuții în cunoștință de cauză care au condus la o reducere a greutății finale a proiectului de bază cu 23%, eliminând sute de kilograme de greutate.