2023 يونيو الأسبوع الثالث من توصيات أخبار WBM - محامل SMB: المحامل في الفضاء

قال آرون كوهين ، القائم بأعمال نائب مدير وكالة ناسا: "الفضاء عمل محفوف بالمخاطر". لطالما اعتبرت كل عملية إطلاق انفجارًا يتم التحكم فيه بصعوبة. " مع توقع العديد من المشاريع الفضائية الجديدة في المستقبل القريب ، يجب تجنب هذه المخاطر بأي ثمن. يضع هذا عبئًا أكبر على المهندسين لإنشاء مكونات عالية الأداء يمكنها تحمل عمليات إطلاق المكوك العنيفة والفراغات غير الصالحة للترحيب في الفضاء. هنا ، يشرح كريس جونسون ، العضو المنتدب لشركة SMB Bearings المتخصصة في توريد المحامل ، الدور الحيوي للمحامل المتقدمة في رحلات الإنسان إلى ما بعد النجوم.

حددت الأمم المتحدة (UN) الخدمات والتقنيات الفضائية باعتبارها أساسية لتحقيق أهداف التنمية المستدامة السبعة عشر لعام 2030. ويقول موقعها على الإنترنت إن تكنولوجيا الفضاء ستكون "أساسية في فهم تغير المناخ وخلال الدورة الكاملة لإدارة الكوارث ؛ فقط. مثالين من بين عدد لا يحصى من التطبيقات التي يمكن للفضاء المساهمة فيها. " تتنبأ مجلة فوربس بالعديد من التطورات التكنولوجية الفضائية خلال السنوات القادمة. وهي تشمل المشاريع الخضراء ، مثل الكاميرات التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء على الأقمار الصناعية لمراقبة الانبعاثات الحرارية التي تنتجها المنازل والشركات ، وخرائط صور الأقمار الصناعية التي ستقيس إزالة الغابات فيما يتعلق باستخدام الكربون.

كما تم التخطيط لرحلات حمولة أصغر إلى القمر ، كما يضيف فوربس ، وإطلاق المزيد من الأقمار الصناعية. ستضع هذه المشاريع مزيدًا من الضغط على مصنعي المعدات للحصول على مكونات الماكينة ذات المهام الحرجة واستخدامها والتي يمكنها تحمل فراغ الفضاء. ستتعرض المكونات الحيوية مثل المستشعرات ، والخلايا الشمسية ، والعدسات ، وأشباه الموصلات لتقلبات شديدة في درجات الحرارة بسبب إشعاع الشمس غير المرشح ، مما يتسبب في حدوث أعطال وضرر بملايين الدولارات ، في بعض الحالات.

تنطبق هذه التحديات أيضًا على المحامل. تتمثل المشكلة الرئيسية في أن البيئات الفراغية فائقة النظافة ، خاصة تلك التي تتميز بدرجات حرارة عالية أو منخفضة أو عناصر شديدة التآكل ، يمكن أن تؤثر على عمر التحمل بنسبة مذهلة تبلغ 90 بالمائة. من ناحية أخرى ، رفع صانعو الآلات متطلبات أداء المحامل المستخدمة في التطبيقات القائمة على الأرض مثل معالجة الأغذية وتصنيع الفولاذ ، على وجه التحديد لتعزيز كيفية أدائهم في البيئات شديدة التآكل وضد التعرض للرطوبة والمواد الكيميائية. ولكن كيف يمكن للمحامل تحمل فراغات الفضاء ، وزيادة الطلب على استخدامها في التطبيقات الفضائية؟

حياة أطول
تشمل الظروف القاسية للفضاء عوامل متطلبة مثل الفراغ المطلق ودرجات الحرارة المتقلبة وأيضًا مكونات صاروخ G-Force الشديدة والعنيفة التي تتعرض لها أثناء الإقلاع. لتحمل هذه الظروف ، يجب أن تكون المحامل معتمدة من الفضاء - ولكن ماذا يعني هذا بالضبط؟

كبداية ، يجب أن تفي المحامل المستخدمة في الفضاء بشكل مثالي بمعيار فحص المادة الأولى من الفضاء AS9102 الذي يغطي عمليات تصنيع الأجزاء ، من المكونات الكهربائية الصغيرة إلى التركيبات الهيكلية الكبيرة ، والتي تُستخدم في الطيران والفضاء والدفاع. هذا جزء من سلسلة اللوائح AS9100 ، وهو مكافئ لنظام إدارة الجودة ISO 9001 لقطاع الطيران. تضع هذه المعايير متطلبات هندسية على المحمل نفسه.

خذ قفص الكرة ، على سبيل المثال - يسمى أيضًا التجنيب ، والذي يفصل كرات المحمل عن مكون التدحرج المركزي. يمكن صنع القفص من الفولاذ المقاوم للصدأ AISI 304 بسبب مقاومة التآكل الممتازة والأداء الجيد في درجات الحرارة العالية. يعد طلاء محامل الفولاذ المقاوم للصدأ في Polytetrafluoroethylene (PTFE) ، أحد أكثر المواد البلاستيكية المعروفة تنوعًا في العالم مفيدًا أيضًا. أصبح PTFE أكثر استخدامًا خارج المركبات الفضائية وقد أظهر خصائص الشد والاستطالة والمرونة والتأثير التي تصل إلى عشر مرات أفضل في البيئات الفراغية من المواد البلاستيكية الأكثر شيوعًا التي تعتمد على الفلور ، مثل Tefzel (ETFE).

يجب أيضًا مراعاة عمر المحامل - خاصة إذا كان سيتم استخدامها في عناصر متدحرجة على متن مركبة فضائية يجب أن تظل تعمل بعيدًا عن الأرض لسنوات أو عقود أو إلى أجل غير مسمى. يعتبر التزييت أمرًا حيويًا هنا ، وقد تم تطوير زيوت منخفضة الغاز وضغط بخار منخفض خصيصًا للتطبيقات الفضائية. تم استخدام مواد التزليق الهيدروكربونية المركبة أو مواد التشحيم السائلة المشبعة بالفلور (PFPE) في صناعة الطيران لأكثر من 30 عامًا.

البيئات العدوانية
لنلقِ نظرة على المواد الأخرى: السيراميك ، الذي يشيع استخدامه في أنظمة الحماية الحرارية أو الدروع الحرارية في الفضاء. يظهر أن السيراميك يتحمل بشكل فعال التغيرات الشديدة في درجات الحرارة - مثل عندما تدخل مركبة فضائية أي نوع من الغلاف الجوي بسرعات عالية ، سواء كانت الأرض أو المريخ. تتمتع السيراميك باستقرار ممتاز في درجات الحرارة المنخفضة والعالية مما يعني أنه يمكن استخدامها في الفضاء السحيق وفي مجال التبريد وكذلك تطبيقات الأفران.

يقودنا هذا إلى محامل السيراميك ، والتي غالبًا ما تطغى عليها نظيراتها من الصلب بسبب إيجابياتها وسلبياتها. أولاً ، السلبيات: استدارة حلقات الدببة الخزفية ليست جيدة مثل تلك الموجودة في محامل الصلب عالية الدقة. على الرغم من أن محامل السيراميك أصعب من الفولاذ ، إلا أن المادة أيضًا أكثر هشاشة. لهذا السبب ، لا يتم استخدام محامل السيراميك الكاملة في التطبيقات عالية السرعة مثل أدوات الآلات أو التوربينات. يفضل استخدام المحامل الهجينة فائقة الدقة لهذه التطبيقات. محامل السيراميك هي أيضا أكثر تكلفة.

ومع ذلك ، يتم استخدام محامل السيراميك في البيئات العدوانية حيث لا تكون المواد الأخرى مناسبة. يتم استخدامها بشكل شائع في التطبيقات التي تتطلب مقاومة ممتازة للتآكل ، إلى جانب التعرض لدرجات حرارة منخفضة للغاية أو عالية. بمعنى آخر ، تعتبر الكائنات الخزفية مثالية للاستخدام في الفضاء.

المواد الأكثر شيوعًا المستخدمة في محامل سيراميك SMB هي الزركونيا (ZrO2) ونتريد السيليكون (Si3N4). كلاهما يتمتع بمقاومة ممتازة للتآكل ، فهذه المواد لها معامل احتكاك منخفض ، مما يوصلنا إلى ميزة رئيسية لمحامل السيراميك الكاملة: يمكن أن تعمل باستمرار بسرعة دون تزييت ، ولهذا السبب غالبًا ما يتم استخدام Si3N4 في البيئات الفراغية.

يمكن استخدام محامل ZrO2 حتى 400 درجة مئوية ومحامل Si3N4 حتى 800 درجة مئوية. أيضًا ، بالنسبة لدرجات الحرارة هذه ، توصي SMB Bearings بأن تكون المحامل مكملة بالكامل. هذا يعني أن المحمل لا يحتوي على مثبت كروي ، وبدلاً من ذلك ، تسمح المساحة الخالية بتركيب كرات إضافية. تسمح هذه الزيادة في تكملة الكرة بزيادات كبيرة في قدرة التحمل الشعاعي على الرغم من تقليل السرعة القصوى بشكل كبير. إلى ما يقرب من 200 درجة مئوية تحت الصفر ، يتمتع السيراميك أيضًا بأداء ممتاز في درجات الحرارة المنخفضة بشرط استخدام قفص مناسب.

بفضل خواصها الخفيفة والمتوافقة مع الفراغ ، سيتم الاعتماد بشكل كبير على محامل نيتريد السيليكون في تطبيقات استكشاف الفضاء. ستفيد بشكل خاص الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية ، التي تحتاج إلى قدرات وزن مثالية من أجل أداء ديناميكيات طيران وتسارع محسّن. ستكون هذه المحامل المتخصصة ، جنبًا إلى جنب مع نظيراتها المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ ، ضرورية لضمان أن تكون القفزة العملاقة التالية للبشرية عملاً بعيدًا عن المخاطر.