Spacecraft trusses

Ферменные конструкции космических аппаратов

Введение

Рис. 1. Конфигурация спускаемого аппарата Апполон.

Конструкции космических аппаратов начали разрабатываться сравнительно недавно, но уже имеют свою историю, достигли определенного уровня развития и продолжают развиваться, что обусловлено задачами, которые ставятся перед разработчиками космических систем.
При проектировании и изготовлении космических аппаратов (КА), как и при проектировании любого другого нового вида техники, конструкторы и технологи опираются на опыт, накопленный в других отраслях науки и техники (например, в авиастроении, автомобилестроении и т.д.), учитывают специфические условия эксплуатации и требования, предъявляемые к КА характером выполняемых ими задач, разрабатывают новые технологии, чтобы успешно решить поставленные перед ними задачи.

Факторы окружающей среды и условия эксплуатации.

Рассмотрим основные, специфические для КА факторы окружающей среды и условия эксплуатации, которые необходимо учитывать при их проектировании и изготовлении.

1. 1. Отсутствие силы тяжести на орбите и повышенные нагрузки, вызванные ускорением, при выводе на орбиту. Если сюда добавить, возникающие часто требования иметь на орбите большие пространственные конструкции (солнечные батареи, выносные элементы, и т.д.), то задача кажется противоречивой и  трудноразрешимой. Одной из основных проблем при проектировании таких конструкций является не прочность, а вибрация. Кроме того, вследствие ограниченности полезного объема на ракетоносителях, ферменные конструкции часто бывают разворачиваемые или собираемые на орбите.
2. 2. Космический вакуум на околоземной орбите, который изменяется от 1.310-7 kPa на высоте 200 км до менее чем 1.310-12 kPa на высоте 6,500 км. В этих условиях полимерные материалы могут распадаться (decompose) а металлы сублимировать (терять молекулы). Сублимация может быть причиной роста нитевидных кристаллов или  вызвать осаждение на оптических или термических системах. Это может разрушить систему передачи данных или привести к перегреву и разрушению космического аппарата. Некоторые материалы имеют высокий уровень сублимации даже при температурах меньше 200С (например цинк, олово, магний, кадмий) и поэтому не могут быть использованы. Также композитные матрицы имеют более высокое давление пара чем металлы, и поэтому имеют более высокую скорость сублимации. Эта тенденция делает композитные материалы менее желательными для длительных миссий, хотя это можно исправить применением новых композитных технологий. Дегазация, выделение абсорбированных газов с поверхности конструкции – общая проблема для всех материалов. Выделенные частицы будут осаждаться на других частях конструкции и могут быть причиной неисправностей (разрушение термического покрытия, загрязнение). Для применения в КА, полимерные материалы не должны быть дегазирующими. Эту проблему можно уменьшить применением покрытий нанесенных в вакууме при высокой температуре. Композиционные материалы из-за высокого уровня абсорбции в вакууме могут существенно снизить свои эксплутационные характеристики.
3. 3. Диапазон и максимальные уровни температур, в которых приходится работать конструкциям КА, сильно отличается от условий работы конструкций и аппаратов на Земле. Самые высокие температуры, влияющие на конструктивное исполнение КА, обычно возникают во время возвращения с орбиты при входе в атмосферу, и в мощных двигательных установках. Эти условия требуют использования специальных материалов и(или) изоляции. Для КА работающих на околоземной орбите, температура элементов конструкций может изменяться от -160С до +180С, что вынуждает использовать различные системы термического контроля, а для некоторых типов КА учитывать термодеформационные процессы в конструкции. При полетах  к внешним планетам, температурные условия для КА являются относительно благоприятными, т.к. при охлаждении обычно возрастают предел прочности, предел пластичности и модуль Юнга материалов. Влияние на пластичность и ударную вязкость, однако, различно для разных материалов, что требует проведение проверки на хрупкое разрушение.
4. 4. Высокий уровень, состоящей из различных видов, радиации способный привести к удалению (remove) конструкционных материалов. Его уровень обычно не более 1 мг/см2, который не имеет большого влияния на дизайн большинства конструкций. Радиация также снижает пластичность большинства материалов, что необходимо учитывать для длительных миссий.
5. 5. Магнитное поле созданное Землей, требует чтобы на КА вращающихся вокруг Земли использовались немагнитные материалы.

КА в зависимости от назначения могут иметь различные типы элементов: топливные баки, жилые и аппаратные модули, солнечные батареи, разворачиваемые и выносные элементы конструкций, фермы и рамы. Сами конструктивные элементы могут изготовляться из различных конструкционных материалов с применением всего многообразия современных технологий.
Фермы и рамы могут выступать как объединяющий элемент конструкции, так и играть самостоятельную роль, например в качестве выносных и(или) разворачиваемых элементов.

Исторический аспект

Применение ферменных конструкций (ФК) в виде отдельных элементов КА прослеживается еще с 1960-х годов, например в спускаемых аппаратах Апполон, лунной программы США (Рис.1) [1].

Tungsten Lamp Filaments

История лампы накаливания в книге "Спекание: от эмпирических наблюдений к научным принципам"

Алекса́ндр Никола́евич Лоды́гин
(6 октября 1847 — 16 марта 1923) —
русский электротехник, один из
изобретателей лампы накаливания,
предприниматель.

История создании и совершенствовании электрической лампочки включает в себя множество изобретений и научных открытий, над которыми работали талантливые изобретатели и выдающиеся ученые, вплоть до лауреатов Нобелевской премии. Эта история настолько насыщена событиями и лицами, что попытка написать её краткую версию приводит к не совсем правдивым и (или) однобоким повествованиям. Это тот случай, когда не полная правда не есть правда. Кроме того, такая однобокость привела к тому, что в разных странах изобретателями лампы накаливания считаются разные люди. Так, например, в США, Великобритании, Франции, Германии и России изобретателями лампы накаливания принято считать своих соотечественников. Можно сказать, что в каждой из этих стран, из истории лампы накаливания была взята небольшая часть, и на её основе сотворен миф. Специально это было сделано или случайно сказать затруднительно, и с каждым случаем здесь надо разбираться отдельно. Заказчиками мифов может, например, выступать государство, особенно тоталитарное. Но и «демократические» страны могут этим грешить, особенно если сами изобретатели усиленно занимаются собственным пиаром (маркетингом), то подхватить и раздуть этот миф патриотической «свободной» прессе будет только в удовольствие.  
И тем не менее, кратких рассказов об изобретении электрической лампочки можно найти достаточно много, например статья Electric light bulb - история создания лампы накаливания, в которой много внимания уделено русскому следу в её истории. В этом «русском следе» неясным остается вопрос о приоритете использования вольфрамовых нитей в лампах накаливания. Утверждается, что в 1890 г. А.Н.Лодыгин получил в США патент на электрические лампы накаливания с металлической нитью, а в 1900 году представил образцы своих лампочек с вольфрамовой нитью на Всемирной выставке в Париже. В 1906 г. патент Лодыгина на лампы с вольфрамовой нитью приобрела у него американская компания "General Electric". Проблема, однако, заключается в том, что патенты действительно были, но получены не в 1890 году, а немного позже. Свидетельств о том, что лампочки Лодыгина с металлической нитью были представлены на Всемирной выставке, найти не удалось, впрочем, как и конкретных сведений о покупке патента. А кроме того, в других источниках, в контексте изобретателей вольфрамовой нити для электрической лампочки, упоминаются совсем другие имена. 
В связи с этим, весьма интересной оказалась глава из книги Sintering: From Empirical Observations to Scientific Principles, которая называется Tungsten Lamp Filaments. Хотя само слово Sintering переводится как спекание, эта книга посвящена истории порошковой металлургии. И именно методами порошковой металлургии в конечном итоге были получены образцы пластичного (ковкого) вольфрама, из которых удалось получить тонкую проволоку, пригодную для ламп накаливания. Можно сказать, что в этой книге представлен непредвзятый и объективный взгляд на историю создания вольфрамовых нитей для электрических ламп. Ниже приведен практически полный перевод этой статьи.

The 50 Worst Inventions part 2

50 наихудших изобретений, по мнению журнала TIME (окончание)

начало здесь

26. Phone Fingers / Напальчники для телефонов с сенсорным интерфейсом

Phone Fingers

Некоторых обладателей iPhone действительно беспокоят отпечатки пальцев на дисплее. Одна австрийская компания нашла новое решение для этого затруднения: покройте свои пальцы латексными аксессуарами, известными как Phone Fingers. Менее 10 евро - выгодная сделка, учитывая, что европейские пользователи могут бродить по улицам с розовыми, белыми, синими или черными пальцами. Единственная проблема для покупателей заключалась в том, чтобы пальцы одевались и снимались с легкостью. Компания решила эту проблему, напечатав диаграмму размеров, призванной помочь покупателям оценить их размер пальца. Просто положи руку на лист бумаги, и … ты крутой. Да, мне нужен мой iPhone, ну, для всего, кроме этого.

The 50 Worst Inventions part 1

50 наихудших изобретений, по мнению журнала TIME (начало)

Журналисты всемирно известного еженедельника TIME разродились своим списком неудачных, по их мнению, изобретений, назвав его - The 50 Worst Inventions. Сразу вспомнился подобный список от журнала LIFE - 30 Dumb Inventions. Итак, рассмотрим этот список ярких идей мира и попытаемся определить насколько они действительно наихудшие (неудачные), или им просто не повезло со временем (местом) появления, или они просто не сработали.

01. Segway / Сегвей

PRESIDENT BUSH FALLS OFF A SEGWAY

Сегвей  это детище изобретателя Дина Камена (Dean Kamen), представляющее собой электрический, самобалансирующийся human транспортер с компьютерной гироскопической стабилизацией и системой управления. Устройство балансирует на двух параллельных колесах и управляется перемещением массы тела. Развитие машины было предметом многих спекуляций и шумихи после того, как фрагменты книги с цитатами Стива Джобса и других известных ИТ-провидцев, поддерживающих его революционные идеи, были опубликованы в результате утечки в декабре 2001 года. Тщательно охраняемый секрет, который должен был изменить мир после его запуска в производство, Segway так и не привёл к обещанной революции в транспорте.
Однако технология действительно крутая - очень дорогие гироскопы делают почти невозможным опрокидывание (хотя Джордж Буш нашел способ), и не смотря на это, продажи этих personal transporter значительно отстали от прогнозов Камена.

 Действительно, шуму в свое время было вокруг них очень много. И они заняли свою нишу, может быть и меньшую чем от них ожидали создатели. Так бывает. Может быть маркетологи что-то не угадали с целевой аудиторией, ценовой политикой, и т.д. и т.п. Все может быть, но зачем, же сразу называть аппарат неудачным изобретением? Тем более, что идея продолжает развиваться, в том числе и превращаясь в новые транспортные средства, например в гироскутер или self-balancing scooter (also "hoverboard", self-balancing board).