3 ژوئن 2023 توصیه خبری WBM-SMB Bearings: Bearings in Space

یک بار آرون کوهن، معاون سرپرست ناسا گفت: «فضا یک تجارت پرخطر است. "من همیشه هر پرتاب را یک انفجار به سختی کنترل شده در نظر می گرفتم." با توجه به چندین پروژه فضایی جدید که در آینده نزدیک پیش بینی می شود، باید از این خطرات به هر قیمتی اجتناب کرد. این امر مسئولیت بیشتری را بر دوش مهندسان می گذارد تا قطعاتی با کارایی بالا ایجاد کنند که بتوانند در برابر پرتاب های خشونت آمیز شاتل ها و خلاءهای غیرقابل پذیرش فضا مقاومت کنند. در اینجا، کریس جانسون، مدیر عامل تامین کننده تخصصی بلبرینگ SMB Bearings، نقش حیاتی یاتاقان های پیشرفته را در سفرهای انسان به فراسوی ستارگان توضیح می دهد.

سازمان ملل متحد (سازمان ملل) خدمات و فناوری های مبتنی بر فضا را به عنوان کلیدی برای 17 هدف توسعه پایدار خود برای سال 2030 شناسایی کرده است. وب سایت آن می گوید فناوری فضایی "کلیدی در درک تغییرات آب و هوا و در طول چرخه مدیریت کامل بلایا خواهد بود. دو مثال در میان برنامه های بی شماری که فضا می تواند به آنها کمک کند." مجله فوربس چندین پیشرفت فناوری فضایی را در سال های آینده پیش بینی می کند. آنها شامل پروژه های سبز گرا، مانند دوربین های مادون قرمز در ماهواره ها برای نظارت بر انتشارات حرارتی تولید شده توسط خانه ها و مشاغل، و نقشه های تصاویر ماهواره ای هستند که جنگل زدایی را در رابطه با مصرف کربن اندازه گیری می کند.

فوربس اضافه می کند که سفرهای محموله کوچکتری به ماه نیز برنامه ریزی شده است و ماهواره های بیشتری را به فضا پرتاب می کند. این پروژه‌ها فشار بیشتری را بر تولیدکنندگان تجهیزات وارد می‌کنند تا از اجزای ماشین‌های حیاتی که می‌توانند از خلاء فضا جان سالم به در ببرند و از آنها استفاده کنند. اجزای حیاتی مانند حسگرها، سلول‌های خورشیدی، لنزها و نیمه‌هادی‌ها در معرض نوسانات شدید دمایی به دلیل تابش فیلتر نشده خورشید قرار می‌گیرند و در برخی موارد باعث خرابی و خسارت میلیون‌ها دلاری می‌شوند.

این چالش ها در مورد بلبرینگ ها نیز صدق می کند. یک مشکل اصلی این است که محیط‌های خلاء فوق‌العاده تمیز، به‌ویژه آن‌هایی که با دماهای بالا یا پایین یا عناصر بسیار خورنده مشخص می‌شوند، می‌توانند تا 90 درصد بر عمر یاتاقان تأثیر بگذارند. از یک طرف، سازندگان ماشین آلات الزامات عملکرد برای یاتاقان های مورد استفاده در برنامه های کاربردی مبتنی بر زمین مانند پردازش مواد غذایی و ساخت فولاد را افزایش داده اند، به ویژه برای بهبود عملکرد آنها در محیط های بسیار خورنده و در برابر قرار گرفتن در معرض رطوبت و مواد شیمیایی. اما چگونه بلبرینگ ها می توانند در برابر خلاء فضا و افزایش تقاضا برای استفاده از آنها در کاربردهای فضایی مقاومت کنند؟

عمر طولانی تر
شرایط سخت فضا شامل عوامل سختی مانند خلاء مطلق، دماهای نوسان است و همچنین اجزای موشک نیروی G شدید و خشن در هنگام بلند شدن در معرض آن قرار می گیرند. برای تحمل این شرایط، یاتاقان ها باید دارای تاییدیه فضایی باشند - اما این دقیقاً به چه معناست؟

برای شروع، یاتاقان ها برای استفاده در فضا باید به طور ایده آل مطابق با استاندارد AS9102 Aerospace First Article Inspection باشند که فرآیندهای ساخت قطعات، از اجزای الکتریکی کوچک تا مجموعه های ساختاری بزرگ را که در هوانوردی، فضا و دفاع استفاده می شوند، پوشش می دهد. این بخشی از مجموعه مقررات AS9100 است که معادل سیستم مدیریت کیفیت ISO 9001 برای هوافضا است. این استانداردها خواسته های مهندسی را بر خود بلبرینگ قرار می دهد.

به عنوان مثال، قفس توپ را در نظر بگیرید - که نگهدارنده نیز نامیده می شود، که گوی های بلبرینگ را از بخش نورد مرکزی جدا می کند. این قفس را می توان از فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI 304 به دلیل مقاومت در برابر خوردگی عالی و عملکرد خوب در دماهای بالا ساخت. پوشش یاتاقان های فولاد ضد زنگ در پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE)، یکی از همه کاره ترین مواد پلاستیکی شناخته شده در جهان نیز مفید است. PTFE در خارج از فضاپیما بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد و خواص کششی، ازدیاد طول، انعطاف پذیری و ضربه ای را نشان می دهد که در محیط های خلاء تا ده برابر بهتر از پلاستیک های مبتنی بر فلوئور مانند Tefzel (ETFE) است.

عمر یاتاقان ها نیز باید در نظر گرفته شود - به خصوص اگر قرار باشد از آنها در عناصر غلتشی روی فضاپیماهایی استفاده شود که باید برای سال ها، دهه ها یا به طور نامحدود دور از زمین باقی بمانند. روغن‌کاری در اینجا حیاتی است و روغن‌های با گاز خروجی کم و فشار بخار پایین به‌ویژه برای کاربردهای فضایی توسعه یافته‌اند. روان کننده های مایع هیدروکربن سنتز شده یا پرفلوئوروپلی اتر (PFPE) بیش از 30 سال است که در صنعت هوافضا استفاده می شود.

محیط های تهاجمی
بیایید به مواد دیگر نگاه کنیم: سرامیک، که معمولا در سیستم های حفاظت حرارتی یا سپرهای حرارتی در فضا استفاده می شود. نشان داده شده است که سرامیک ها به طور موثری در برابر تغییرات شدید دما مقاومت می کنند - مانند زمانی که یک فضاپیما با سرعت بالا وارد هر نوع جوی می شود، خواه زمین باشد یا مریخ. سرامیک ها پایداری عالی در دمای پایین و بالا دارند، به این معنی که می توان از آنها در فضاهای عمیق و برودتی و همچنین کاربردهای کوره استفاده کرد.

این ما را به بلبرینگ‌های سرامیکی می‌رساند که به دلیل مزایا و معایب اغلب تحت الشعاع یاتاقان‌های فولادی خود قرار می‌گیرند. اول، معایب: گرد بودن حلقه های خرس سرامیکی به خوبی بلبرینگ های فولادی با دقت بالا نیست. اگرچه بلبرینگ های سرامیکی سخت تر از فولاد هستند، اما مواد شکننده تر نیز هستند. به همین دلیل، یاتاقان‌های سرامیکی کامل در کاربردهای با سرعت بالا مانند ماشین‌ابزار یا توربین استفاده نمی‌شوند. بلبرینگ های هیبریدی بسیار دقیق برای این کاربردها ترجیح داده می شوند. بلبرینگ های سرامیکی نیز هزینه بیشتری دارند.

با این وجود، یاتاقان های سرامیکی در محیط های تهاجمی که مواد دیگر مناسب نیستند استفاده می شود. آنها بیشتر در کاربردهایی استفاده می شوند که در آن مقاومت در برابر خوردگی عالی، همراه با قرار گرفتن در معرض دمای بسیار پایین یا بالا مورد نیاز است. به عبارت دیگر، موجودات سرامیکی برای استفاده در فضا ایده آل هستند.

رایج ترین مواد مورد استفاده در بلبرینگ های سرامیکی SMB Bearings زیرکونیا (ZrO2) و نیترید سیلیکون (Si3N4) است. هر دو دارای مقاومت در برابر خوردگی عالی هستند، این مواد دارای ضریب اصطکاک پایینی هستند که ما را به یک مزیت کلیدی از یاتاقان های سرامیکی کامل می رساند: آنها می توانند به طور مداوم با سرعت بدون روغن کاری کار کنند، به همین دلیل است که Si3N4 اغلب در محیط های خلاء استفاده می شود.

بلبرینگ های ZrO2 تا دمای 400 درجه سانتیگراد و یاتاقان های Si3N4 تا 800 درجه سانتیگراد قابل استفاده هستند. همچنین، برای این دماها، یاتاقان های SMB توصیه می کند که یاتاقان ها باید کاملاً مکمل باشند. این بدان معنی است که یاتاقان دارای نگهدارنده توپ نیست و در عوض، فضای آزاد اجازه می دهد تا توپ های اضافی نصب شوند. این افزایش در مکمل توپ امکان افزایش قابل توجهی در ظرفیت باربری شعاعی را فراهم می کند اگرچه حداکثر سرعت تا حد زیادی کاهش می یابد. تا دمای منفی 200 درجه سانتیگراد، سرامیک ها همچنین عملکرد عالی در دمای پایین دارند به شرط اینکه از قفس مناسب استفاده شود.

یاتاقان‌های نیترید سیلیکون با ویژگی‌های سبک وزن و سازگار با خلاء، در کاربردهای اکتشاف فضایی بسیار مورد اعتماد خواهند بود. آنها به ویژه برای ماهواره ها و فضاپیماها مفید خواهند بود که به ظرفیت های وزنی مطلوب برای انجام پویایی پرواز و شتاب بیشتر نیاز دارند. این بلبرینگ‌های تخصصی، همراه با همتایان فولاد ضد زنگ خود، برای اطمینان از اینکه جهش عظیم بعدی برای بشریت یک تجارت دور از خطر است، حیاتی خواهد بود.