核心系統(tǒng)關鍵零部件設計的來源:
自從1957年10月4日蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星“Sputnik”以來,已有40多個國家發(fā)射接近9000顆衛(wèi)星。曾經(jīng)用作執(zhí)行軍事偵察任務的衛(wèi)星現(xiàn)在不但已經(jīng)司空見慣,而且還與我們的日常生活息息相關。若是沒有衛(wèi)星,我們該如何觀看精彩體育賽事的實況轉(zhuǎn)播,如何利用天氣預報做好應對風雨的準備,甚至如何回溯時光去揭開埋沒千年古老城池的面紗???
衛(wèi)星數(shù)量始終有增無減;從2018年到2028年,預計每年平均要發(fā)射990顆衛(wèi)星。歐洲咨詢公司(Euroconsult)在其2019年版《待制造及待發(fā)射的衛(wèi)星》中介紹,到2028年衛(wèi)星總數(shù)將達到9,900顆,相比過去十年發(fā)射的2,300顆衛(wèi)星,數(shù)量增長了四倍。?
而SpaceX、OneWeb、Telesat和亞馬遜Project Kuiper等新興企業(yè)表示,他們預計在未來幾年內(nèi)將發(fā)射近46,000顆衛(wèi)星。隨著這些公司以及傳統(tǒng)制造商的不斷創(chuàng)新,衛(wèi)星行業(yè)及其設計也日新月異。作為航天工業(yè)密封和聚合物解決方案的可靠供應商,圣戈班密封件業(yè)務部不斷創(chuàng)新材料解決方案,以滿足持續(xù)演變的客戶需求。
在衛(wèi)星行業(yè)內(nèi)部,低軌道和小衛(wèi)星是發(fā)展趨勢。2018年的近地軌道衛(wèi)星(LEO)約占全球發(fā)射量的51%,到了2019年,估計將增至54%以上。這些尺寸較小、重量較輕且軌道較低的衛(wèi)星能夠為無法鋪設光纜的偏遠地區(qū)提供商業(yè)服務以及高速可靠的互聯(lián)網(wǎng)訪問和連接能力。技術(shù)的不斷發(fā)展正在讓全球通訊變得更加強悍!
私人發(fā)射服務在過去十年中讓衛(wèi)星發(fā)射成本得到大幅度降低,成本從航天飛機時代的每公斤80,000多美元降到現(xiàn)在的每公斤約1,000美元。更低的發(fā)射成本結(jié)合同時發(fā)射多個衛(wèi)星的技術(shù),讓當前的小衛(wèi)星和星鏈概念在技術(shù)上和商業(yè)上均具有可行性。最終,龐大的衛(wèi)星發(fā)射需求讓行動敏捷的初創(chuàng)企業(yè)進入市場,與成熟的衛(wèi)星制造商展開競爭,在這一原本沉悶保守的行業(yè)激起創(chuàng)新的漣漪。
衛(wèi)星系統(tǒng)先進聚合物解決方案的發(fā)展軌跡
從這一新格局中興起的兩種趨勢正在推動向先進聚合物的轉(zhuǎn)變。?
更為緊湊的衛(wèi)星需要尺寸更小、重量更輕的零部件:近地軌道衛(wèi)星小而輕的需求已經(jīng)改變材料和設計的觀念。尺寸更小、更緊湊、重量更輕的近地軌道衛(wèi)星通常在設計上也更為靈活,這往往讓聚合物成為零部件的不錯的選擇。
行業(yè)新手以及傳統(tǒng)開發(fā)人員不斷尋求創(chuàng)新:其中包括尋找更緊密地鏈接衛(wèi)星軟件和硬件的解決方案,以實現(xiàn)從太空到地球更好的信息采集和傳輸,而采用先進材料將更有利于實現(xiàn)該方案。這一過程通常包括尋找重量更輕、使用壽命更長和/或具有化學相容性的材料解決方案。
先進聚合物具有更高的機械強度和更低的重量。在很多情況下,其可以替代金屬。先進聚合物在近地軌道和其他衛(wèi)星設計中的特殊優(yōu)勢包括:
- 與衛(wèi)星推進器和推進系統(tǒng)常用自燃推進劑的化學相容性
- 低釋氣和抗輻射
- 滿足GEO衛(wèi)星10至15年的長壽命要求
- 電氣絕緣和絕熱功能
- 耐真空能力
- 在衛(wèi)星應用和航天工業(yè)內(nèi)部已有廣泛應用
了解聚合物密封圈及組件在衛(wèi)星系統(tǒng)的多種用途
此類先進聚合物在衛(wèi)星系統(tǒng)中如何應用?以下為五類新興應用。
在化學推進系統(tǒng)中:OmniSeal?彈簧蓄能密封圈通常用于各種類型的閥門和油箱。由多種PTFE和填料PTFE密封材料制成的OmniSeal?聚合物密封圈能夠承受彈性密封圈無法耐受的惡劣環(huán)境和苛刻條件。
在太陽能電池板部署系統(tǒng)中:Rulon?共混填料PTFE材料可以讓微衛(wèi)星太陽能電池板陣列從發(fā)射時的折疊狀態(tài)到軌道展開過程中獲得極低的摩擦系數(shù)。由于經(jīng)過飛行驗證的Rulon?J材料具有市售共混PTFE材料中最低的摩擦系數(shù)、較低的釋氣量以及較輕的重量,并且能夠以極高精度進行加工,因此成為這一應用的理想解決方案。?
在光電設備中:對于監(jiān)視、偵察和對地觀測任務,OmniSeal?彈簧蓄能密封圈能夠保護有機玻璃攝像機系統(tǒng)內(nèi)的電子設備避免受到外界環(huán)境影響(30%以上的已發(fā)射衛(wèi)星均配備這一功能)。已在飛機、直升機和無人機上得到可靠應用的OmniSeal?密封圈能夠確保系統(tǒng)在整個使用壽命中保持正常運行。
在結(jié)構(gòu)和耐磨組件中:Rulon?、Meldin?熱塑性塑料、Meldin?7000高性能聚酰亞胺和圣戈班HyComp先進復合材料取代陶瓷、鋁和其他金屬,成為連接運動部件的輕質(zhì)替代品。根據(jù)不同要求,可以選用不同類型的Saint-Gobain Seals材料制造具有摩擦性能要求的結(jié)構(gòu)連接器(如軸承和襯套)。除了能夠減輕重量外,Rulon?、Meldin?和HyComp先進復合材料還具有良好的機械性能、低摩擦、自潤滑和低釋氣性。
在霍爾效應推進器和電力推進系統(tǒng)中:隨著衛(wèi)星尺寸變得越來越小,很多公司正在轉(zhuǎn)向采用電力和氙氣推進。OmniSeal?彈簧蓄能密封圈可以代替彈性體密封件達到更好的密封效果。
盡管先進聚合物具備諸多優(yōu)勢,但金屬密封圈(如圣戈班ASE和HTMS金屬密封圈)在某些情況下可能仍然是滿足最嚴苛泄漏要求的更好替代方案。當尺寸和重量不是主要考量,而需要優(yōu)先保護諸如海拔或系統(tǒng)傳感器之類的關鍵電子系統(tǒng)時,金屬密封圈由于可以滿足極為嚴苛的泄漏要求。氣象衛(wèi)星的校準儀器也存在類似的嚴苛要求??梢允褂媒饘倜芊馊Φ钠渌纠€包括:
- 激光系統(tǒng)?
- 一次和二次供電系統(tǒng)
- 航向參考系統(tǒng)(陀螺儀)
- 速度、高度和加速度測量系統(tǒng)
- 夜視儀
- 雷達電子設備
在圣戈班密封件業(yè)務部收購多家金屬密封公司之后,已能夠同時提供聚合物和金屬密封解決方案,不但擴大了產(chǎn)品范圍,也擴展了航天行業(yè)的客戶基礎。圣戈班已經(jīng)在太空工業(yè)為探索月球、火星乃至其他任務提供超過60年的服務。圣戈班與主要衛(wèi)星制造商、尋求不斷突破的太空公司以及發(fā)射火箭的火箭制造商展開密切合作,幫助實現(xiàn)衛(wèi)星設計和性能創(chuàng)新,改善我們所有人的生活和交流方式。?
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