Article Thumbnail

Uzayda Hangi Malzemeler Hayatta Kalabilir?

  • 12 Ağustos 2021 07:10

Uzay, tüm malzemeleri şiddetli stresler altına sokarak yalnızca en sağlam ürünlerin hayatta kalmasına izin verir. Malzemelerin uzay için test edilmesi, onları kullanan cihazların görünürde herhangi bir onarım hizmeti olmaksızın insanlığın bildiği en kötü koşullarda dayanmasını sağlamak için çok önemlidir. Cihazlar atmosferin sıcağında veya uzayın soğuğunda arızalandığında, test yapılmadan uyduları yörüngeye yerleştirme çabaları boşunadır. Kapsamlı bir inceleme, süreçteki bir dizi adımdan daha fazlasıdır. Havacılık ürünlerinin hayatta kalmasını sağlamanın önemli bir bileşeni olmalıdır.

Uzayın Zorlu Koşulları Nelerdir?

Uzay, uyduları ve diğer cihazları aşırı koşullara sokar. Sıcaklık, yerçekimi, radyasyon ve basınç, Dünya'dakilere benzemeyen değişkenlerden sadece birkaçıdır. Yörüngeye girmesi ve herhangi bir süre hayatta kalması gereken herhangi bir şey, bu faktörlerin aşırı seviyelerine karşı dirençli olmalıdır.

1. Sıcaklık Artışları

Yörüngedeki bir cihaz güneş ışığına veya Dünya'nın gölgesinin arkasına doğru hareket ettikçe sıcaklıklar yüksekten düşüğe değişir. Örneğin, NASA'nın ayın yörüngesinin dışına çıkmak için tasarlanan Orion uzay aracı, -101 ila 288 santigrat derece (-150 ila 550 derece Fahrenheit) arasında değişen sıcaklıklar yaşayacak. Orion bir insan mürettebat taşıyacağından, yaşam ve çalışma alanlarının içindeki sıcaklık sabit 25 santigrat derece (77 derece Fahrenheit) kalmalıdır.

Bu görevi gerçekleştirmek için NASA, astronotları içeride güvende tutmak için sıcaklık kontrollerini ve bir termal koruma sistemini birleştirecek. Yeniden girişte sıcaklıklar daha da aşırı hale gelir. 25.000 mil hızla hareket eden atmosferin sürtünmesi, uzay aracının etrafında 2.760 santigrat dereceye (5.000 derece Fahrenheit) kadar ısı üretecektir. Teknenin AVCOAT ısı kalkanları, gemiyi masrafları kendisine ait olmak üzere koruyacaktır. Bu tek kullanımlık kalkanlar yeniden giriş sırasında parçalanacak.

2. Yerçekimi

Bir uzay aracını fırlatmak, Dünya'nın yerçekimi kuvvetinin üstesinden gelmeyi gerektirir, ancak fırlatma rampasından ayrılmanın yukarı doğru momentumu sırasında, araç, Dünya'nın yerçekimi kuvvetinin üç katına kadar yaşayacaktır. Uzay aracında kullanılan malzemeler bu tür etkiler altında kırılmaz, bükülmez veya zayıflamaz.

Araç yörüngeye girdikten sonra yerçekimi kuvveti neredeyse sıfıra düşer. Yüksekten yerçekimsiz kuvvete geçiş, düşük dereceli malzemelerin veya bu tür streslere dayanacak şekilde tasarlanmamış malzemelerin bütünlüğünü etkileyebilir.

3. Radyasyon

Dünya atmosferinin korunmasının dışında radyasyon seviyeleri artar. Ancak bir uzay aracına ulaşan bu değerler, o aracın gezegenin yörüngesinde ne kadar yüksekte döndüğüne bağlıdır. Alçak Dünya yörüngesindekiler, daha yüksek yörüngelerdeki veya daha uzaklara seyahat edecek olanlardan daha az radyasyon yaşayacaklar. Güneş fırtınaları, radyasyon seviyelerini çok az farkla büyük ölçüde artırabilir.

Dünya yörüngesindeki uydulardan çok daha fazla radyasyon yaşayacak olan Orion'da, birkaç yedek sistem, aracı ve astronotları radyasyondan koruyacak. Dört bilgisayar sistemi yolculuk boyunca kendilerini kontrol etmeye devam edecek. Radyasyon diğer dört bilgisayarın arızalanmasına neden olursa, ayrı bir yedek bilgisayar uzay aracını çalışır durumda tutacaktır. Astronotlar, güneş fırtınaları durumunda geri çekilmek için özel olarak korunan bir fırtına sığınağına sahip olacak ve NASA şu anda astronotların organlarını radyasyon hasarından korumak için hızla giyebilecekleri benzersiz radyasyon koruyucu kıyafetleri test ediyor.

4. Basınç

Uzay aracı iç ve dış kuvvetleri deneyimleyecek. Örneğin, Uluslararası Uzay İstasyonu içindeki oksijenden gelen iç basınç, inç başına 15 pound'dur. Geminin yapısı, kalkış sırasındaki yerçekimi değişiklikleri gibi dış basınçlardan şeklini korumanın yanı sıra içeriden bu kuvvete dayanmalıdır.

5. Etkiler

Zamanla, hala yörüngede bulunan feshedilmiş uyduların sayısı arttı. Bu mermiler, Dünya çevresinde büyük miktarda uzay çöpü oluşturur ve yörüngedeki herhangi bir araç, bu çöpten çeşitli etkiler yaşayacaktır. Mevcut uydular gibi, eski modeller de benzer şekilde dayanıklı yapılara sahipti. Bu nedenle, malzemeleri sağlamdır ve darbelere dayanamayan yeni uydulara önemli zararlar verebilir.

Yörüngede, uydular için tek sorun uzay çöpü değil. Meteorlar, mermilerden daha hızlı, saniyede 42 kilometre (saniyede 26 mil) hızlara ulaşabilir. Bu oranlarda, küçük uzay kayaları bile bir uydunun zayıf bir kısmında bir delik açabilir. Doğal ve insan yapımı enkaz, herhangi bir uzay aracı için gerçek tehditlerdir, bu nedenle malzeme test programları sırasında test etkileri, yörüngedeki herhangi bir uzay aracının yaratılmasının önemli bir parçası olmalıdır.

6. Titreşimler

Uzayda titreşimler olmayabilir, ancak uzay aracı fırlatma sırasında ve hemen sonrasında çok fazla hareket yaşayacaktır. Süpürme sinüs testi, uyduların çeşitli titreşim frekanslarını nasıl ele aldığına bakar. Bilim adamları, malzemeler üzerinde bir dizi hareketi test ederek zayıflıkları bulabilir ve araç yörüngeye ulaşmadan önce bunları düzeltebilir.

Uzayda Hayatta Kalmak İçin Ne Tür Nesnelere İhtiyaç Var?

Uzayın uç noktalarına dayanmak için çeşitli zanaatlar inşa edilmelidir. Uyduların, mekiklerin ve hatta araç dışı hareketlilik birimlerinin (EMU) tümünün darbelerden, basınçtan, radyasyondan ve sıcaklık dalgalanmalarından koruyan bileşenlere sahip olması gerekir. Bunların hepsinin, yalnızca değişen seviyelerde benzer koşullara dayanması gerektiğinden, hayatta kalma testi, birçok uzay aracı türü için örtüşmektedir.

Uydular en yaygın uzay aracıdır. Dünya yörüngede hem ticari hem de devlete ait 1.500 aktif uyduya sahiptir. Bugün, GPS'ten iletişime kadar her şey uydulardan geliyor. Bu yörüngelerden biri başarısız olursa, milyonlarca kullanıcı kendilerini kaybedebilir. Ek olarak, yörünge aracını işleten şirketin başka bir fırlatma için ödeme yapması gerekecek. Uzay için uyduları test etmek, şirketlerin uzay araçlarına yaptığı yatırımların doğru yerde olmasını sağlar.

Tek tek malzemelerin teknede test edilmesi gerekir ve sistemlerin de incelenmesi gerekir. Uydular için piller, yakıt hücreleri, güneş panelleri, iletişim sistemi, elektrikli bileşenler ve antenler, cihaz yörüngeye ulaştığında uyum içinde çalışacaklarından emin olmak için test ettiğimiz unsurlardan sadece birkaçı.

Jeo-durağan yörüngeye yönlendirilen uydular, geminin on yıl veya daha fazla dayanabilmesini sağlamak için tahriklerinin çalışmasını ve yerleşik sistemlerin uzun ömürlülüğünü doğrulamak için testler gerektirir. Bu daha büyük uydular daha karmaşık sistemlere, daha fazla parçaya sahiptir ve sonuç olarak daha fazla test gerektirir.

Daha düşük yörüngelerdeki daha küçük gemilerin bile, yörünge irtifasına güvenli bir şekilde çıkabilmelerini ve işlerini doğru bir şekilde yapabilmelerini sağlamak için hala testlere ihtiyacı var. Küçük uyduları uzay simülasyonu testinden geçirerek cihazın uzayın sıcaklıklarında, neminde ve basıncında nasıl hayatta kalacağını görebiliriz.

Uydulara ek olarak, iletişim cihazları ve kameralar da dahil olmak üzere gemilerdeki ekipmanların aynı koşullara dayanabilecek dayanıklılığa sahip olması gerekir. Uzay simülasyonları, bu cihazların kullanım sırasında karşılaşacakları zorlu koşullardan yeterli korumaya sahip olduklarını doğrulamaya yardımcı olabilir.

Genel uzay aracının ve ekipmanının kullanım sırasında dayanmasını sağlarken, aracı inşa etmeden önce mühendislerin, kullanılan malzemelerin aşırı uzaya maruz kaldığında bozulmayacağını bilmeleri gerekir.

Malzeme Testi Uzayda Hayatta Kalabilirliği Nasıl Sağlar?

Mühendislerin uzay aracı tasarlarken kullanacakları malzeme türlerini bilmeleri gerekir. Elemanları tasarlanan şekillerde ve kalınlıklarda test etmek, yörüngeye girme stresini üstlenmelerini sağlayacaktır.

Uzay malzemeleri testi, tasarım süreci mühendislerinin gözden kaçırdığı bir bölüm olamaz. Dünyadaki koşullar uzaydan o kadar farklıdır ki, bir uydu için kullanılan malzemeler, önceden test edilmeden fırlatma sonrasına kadar yörünge koşulları yaşamayacaktır. Hiçbir şirket, uzay aracının yörüngeye girer girmez başarısız olduğunu keşfetmek istemez.

Malzemelerin mukavemetini kapsamlı bir şekilde incelemek için, test cihazları, malzemelerin uzayda karşılaşacağı çoklu stresler için malzemeleri bir dizi testten geçirir.

Etkiler: İnsan yapımı ve doğal nesneler her gün yörüngedeki uyduları bombalıyor. Darbe testi, malzemelerin yoğun darbelere dayanabilmesini sağlar.

Korozyon: Bu tür testler, malzeme bozulmadan önce kullanım ömrünü doğrular.

Sıkıştırma: Sıkıştırma mukavemeti, uzayın aşırı basınçlarını deneyimlemeye yönelik malzemeler için hayati önem taşır.

Yorgunluk: Uzay aracı yoğun streslere maruz kalır ve yorulma testi, malzemelerin başarısız olana kadar en kötü kuvvetler altında ne kadar süre dayanacağına bakar.

Termal: Malzemeyi alanın aşırı yüksek ve düşük sıcaklıklarına maruz bırakmak, termal test sürecinin bir parçasıdır.

Eğilme: Destek malzemeleri, bükülmeden önce parçaların ne kadar yük kaldırabileceğini görmek için genellikle eğilme testine ihtiyaç duyar.

Yanabilirlik: Yanabilirlik, bir yangının ne kadar hızlı yayılacağı ile ilgili olarak malzemelerin ne kadar iyi yandığını belirler. Havacılık ve uzay araçlarının güvenlikle ilgili bileşenleri için, malzemelerin alevleri ilerletmek yerine durdurması gerekir.

Kompozisyon: Kompozit malzemeler için, bunların nasıl kullanılacağına dair ek bilgi veren bir makyaj garantisi.

Termomekanik analiz: Termomekanik analiz, bir malzemenin bir dizi sıcaklıkta geçirdiği değişikliklere bakar.

Test, malzemelerin uzaydaki koşullara dayanabileceğini doğrular. Ek olarak, birçok düzenleyici kurum, uzay aracı onayının uzaya gitmesine izin vermek için test programları gerektirir. Malzeme testleri gerçekleştirirken FAA yönetmelikleri ve RTCA DO-160 ile uyumluluğu sağlıyoruz. Bu gereklilikleri yerine getirerek, malzemelerinizin yörüngeye girmesine izin verileceğini doğrulayabiliriz. Uzay aracı ve uydular, önce oraya varamazlarsa uzayda hayatta kalamazlar.

Uzayda Hangi Malzemeler Kullanılır?

Her şey uzayın zorlu koşullarını kaldıramaz, ancak bazı malzemelerin bu ortamda üstün olduğu kanıtlanmıştır.

1. Kevlar

Kevlar, daha çok ordu ve polis için kurşun geçirmez giysilerde kullanılmasıyla ilişkilendirilir. Bu malzeme, onu uzay gemilerinde kullanım için ideal kılan çeşitli özelliklere sahiptir. Mermilere direnecek kadar gücü vardır, bu da onu meteorlardan ve uzay çöplerinden gelen etkilere karşı ayakta durmak için mükemmel kılar. Ek olarak, Kevlar dayanıklılığına kıyasla çok az ağırlığa sahiptir. Ayrıca yapısına zarar vermeden veya şeklini değiştirmeden aşırı sıcaklıklara maruz kalabilir.

2. Alüminyum

Uzay gemilerinde kullanılan bir diğer yaygın malzeme alüminyumdur. Alüminyumun kendisi, alan kullanımı için gerekli güce sahip olmasa da, diğer metallerle bir alaşım halinde birleştirildiğinde, imza niteliğindeki hafifliğini korurken gücü artar. Alüminyum alaşımı, darbe testlerinde o kadar iyi bir performans sergiliyor ki, Uluslararası Uzay İstasyonu bu malzemeyi pencere kepenklerinde, enkazın pencerelere zarar vermesini önlemek için kullanıyor.

3. Güçlendirilmiş Karbon-Karbon Kompozit

1.260 santigrat derecenin (2.300 derece Fahrenheit) üzerindeki sıcaklıklarla karşılaşan uzay mekiğinin burnu için NASA, güçlendirilmiş bir karbon-karbon kompoziti (RCC) kullandı. Benzer şekilde sıcak sıcaklıklar yaşayan uzay mekiğinin diğer alanları bu bileşimi kullandı.

RCC'nin faydası, doğrudan kendisine uygulanan ısının yanı sıra dolaylı ısıyı da verme yeteneğinde yatmaktadır. Mekik üzerindeki yakın yüzeylerden gelen sıcaklık, RCC'nin ısıyı serbest bırakacağı RCC kaplı parçalara gitti ve mekiğin soğumasına yardımcı oldu, tıpkı bir radyatörün bir araba motorunu dolaylı olarak soğutmasına benzer.

RCC oluşturmak için kullanılan süreç, tasarımcılar yüksek sıcaklıklarda silikon karbür kaplama uyguladığında çatlaklar yarattı. Ancak mekiğin etrafındaki sıcaklık yükseldiğinde çatlaklar kapanır. Malzemenin yapısının çeşitli sıcaklıklarda bu şekilde değiştirilmesi, içeriğin test edilmesinin ne kadar gerekli olduğunu yineler. Kapsamlı inceleme yapılmadan, RCC veya benzeri bir yapıdan yapılmış bir parça, yüksek sıcaklıklarda beklendiği gibi çalışmayabilir ve parçanın ve parçası olduğu uzay aracının arızalanmasına neden olabilir.

4. Yeniden Kullanılabilir Yüzey Yalıtımı

Yüksek sıcaklıkta yeniden kullanılabilir yüzey yalıtımı (HRSI), siyah borosilikat cam kaplamaya sahiptir ve bu koyu yüzeyin burun konisi ile aynı yüksek sıcaklıklara dayanabilmesini sağlar. Mekiğin beyaz kısımları, düşük sıcaklıkta yeniden kullanılabilir yüzey yalıtımına (LRSI) sahiptir ve yalnızca 649 santigrat dereceye (1.200 derece Fahrenheit) kadar daha düşük sıcaklıklara dayanabilir. Beyaz renk, astronotların çalıştığı mekiğin içindeki sıcaklıkların daha iyi kontrol edilmesini sağlar.

NASA, LRSI'yi gelişmiş esnek, yeniden kullanılabilir yüzey yalıtımı (ARSI) ile değiştirdi. Uzay ajansı, daha sonra Atlantis, Endeavour ve Discovery servisleri için ARSI'yi kullandı. Bu yalıtımın uygulanması, inşaat maliyetini ve mekiğin ağırlığını azalttı.

5. Nomex Keçe

Mekiğin 371 santigrat dereceden (700 derece Fahrenhayt) daha yüksek olmayan sıcaklıklara maruz kalan en soğuk bölgeleri için NASA, kaplanmış Nomex keçeden yapılmış yeniden kullanılabilir yüzey yalıtımı kullandı. Yük kapılarına ek olarak geminin orta ve kuyruk ucu bu kaplamaya sahipti.

6. Termal Cam

Uzay mekikleri, astronotların ısının malzemeden geçmesine izin vermeden dışarıyı net bir şekilde görmelerini sağlayacak pencerelere ihtiyaç duyuyordu. Termal cam, astronotları pencerelerin etrafındaki hem yüksek hem de düşük sıcaklıklardan ve uzay yolculuğunun baskılarından korumak için çözümü kanıtladı.

7. Silika

İniş takımı veya yükleme alanı gibi hareketli parçaların oluşturduğu uzay mekiği üzerindeki boşlukları silika kumaşla doldurdu. Mekiğin birçok formunda silika kullanan diğer bir parçası, kaplama işlemi sırasında oluşan çatlakları kapatmak için sodyum silikat kullanan RCC burun konisini içeriyordu. NASA, uzay mekiğinin düşük sıcaklık bölgeleri için silika karoları seçti ve mekik yapımcıları, geminin HRSI kısımları için borosilikat cam kaplama kullandı.

Bu Nesnelerin Neden Kapsamlı Testlerden Geçmesi Gerekiyor?

Havacılık malzemeleri test programları, uyduların uzayda hayatta kalıp kalmadığını ve malzemelerin uzun ömürlülüğünü ve dayanıklılığını belirler. Ayrıca uzay araçlarının işlerini yapabilmelerini sağlamak için diğer faktörleri de değerlendirirler. Uzay aracının çalışması olmadan, Dünya'daki pek çok kişi, uydular tarafından sağlanan GPS veya görüntüleme hizmetlerinin arızalanması nedeniyle çalışamayacaktı.

Her test programının, uzay aracının karşılaşacağı olası en aşırı koşulları tekrarlaması gerekir. Uydular ve diğer uzay araçları söz konusu olduğunda, test tek bir aşama değil, aracın inşası boyunca gerçekleşen bir süreçtir.

Uzay aracının her bir parçasının, malzemeler bir araya gelerek bitmiş parçalar oluşturmadan önce bile değerlendirilmesi gerekir. Uydu malzemeleri testi, parçaları yapmak için kullanılan bileşenlerin, alanın uç noktalarına dayanmasını sağlar. Aslında, uzaydaki ortamlar o kadar zorludur ve materyallerin o kadar yoğun kuvvetlere dayanması gerekir ki, NASA, doğal maddelerin başarısız olduğu yerlerde kullanmak üzere RCC gibi kompozitler yaratmıştır. Ürünün tamamlanmasına kadar malzemelerin ve uydu parçalarının performansını inceleyen kapsamlı bir program, uydunun uzun ömürlü olmasını sağlar.

Bireysel bileşenlerin, mühendislerin bu parçaları oluşturan daha karmaşık parçalar üzerinde de çalışması gereken denemelerden geçmesi gerekir. Bittiğinde, geminin yörüngede başarılı bir şekilde hayatta kalmasını sağlamak için başka bir test turuna ihtiyacı var. Bu tür titiz testler, herhangi bir uzay aracının, hem yoğun fırlatma kuvvetlerine hem de uzaydaki aşırı koşullara dayanacağını doğrulaması için bir gerekliliktir.

Test programları, uzay aracının uydular için hükümet düzenlemelerini karşılayarak fırlatma izni alabileceğini doğrular. Ek olarak, bu programlar uydudaki yatırımcılar için değerli bir sigorta sağlar. Standart bir hava durumu uydusu için 290 milyon dolara varan fiyat etiketleri ile bu tür projeler, geminin hayatta kalacağına dair güvence gerektiriyor.

Şu anda, yörüngedeki uyduları onarmak için hiçbir yöntem mevcut değil. Fırlatılan herhangi bir tekne, işini tamamlamak için yeterince uzun süre dayanacak şekilde tamamen hazırlanmalıdır. Arızalar meydana geldiğinde şirketler, uydunun yörüngede yapacağı işin yanı sıra inşaat ve fırlatma maliyetlerini de kaybeder. Veri toplamak için tasarlanmış bilimsel uydular söz konusu olduğunda, böyle bir kayıp, araştırmayı öngörülen zaman çizelgesinden uzaklaştırabilir.

Mühendislerin, ne tür uydu malzemeleri testi yapacaklarını bilmeleri gerekir. Örneğin, radyasyon seviyeleri, uydunun düşük Dünya yörüngesinde mi yoksa sabit yörüngede mi olacağına bağlıdır.

Malzemelerin Uzayda Hayatta Kalıp Kalamayacağını Ne Tür Testler Belirler?

Uzay simülasyonu testi, bir termal vakum odası içinde uzayda uyduların deneyimlediği koşulları yeniden yaratır. Bu oda, uyduların dayanması gereken üç şeyin etkilerini inceliyor:

Kızılötesi güneş radyasyonu

Yüksek vakum

Aşırı soğuk sıcaklıklar

Bir uydu, deniz seviyesinde Dünya atmosferinde olmayabilecek bu durumları deneyimlediğinde bireysel olaylar meydana gelebilir. Örneğin, gazlar bir vakumda yüksek sıcaklıklar altında olana kadar gaz çıkışı gerçekleşmeyebilir, ancak bu olay uzay aracı problemlerinin en yaygın nedenidir. Esasen, uzay simülasyonu testi, bir uydunun veya parçalarının başarısız olmadan önce ne kadar alabileceğini görür.

Uygulamaya bağlı olarak simülasyonları, elektronik bileşenler için askeri standartlar, ortamın ekipmanı nasıl etkilediği ve RCTA'nın havadaki ekipmanı ve dış koşulları test etme gereksinimleri gibi belirli yönetmelikleri karşılayacak şekilde uyarlayabiliriz. Bu standartları ve diğerlerini karşılamak, fırlatmaya hazır güvenli bir gemiye sahip olmanızı sağlar.

NTS'deki Test Yetenekleri Nelerdir?

NTS'de havacılık malzemeleri ve bitmiş ürünler için bir dizi test sunuyoruz. Uzay ve uydu testlerimiz, cihazın karşılaşacağı koşulları yansıtan doğru sonuçlar için tahrik ve uzay simülasyon testlerini içerir. Teknenizin yaratılışın her adımında teste ihtiyacı olacağından, parçalar ve tamamlanmış uydular için denemelere ek olarak malzeme testleri de sunuyoruz.

50 yıllık havacılık testlerinde uzmanlarımız, uzayda hayatta kalabilmeyi sağlamak için ekipmanınızın karşılaması gereken parametreleri tam olarak biliyor. Amerika Birleşik Devletleri'nin sahip olduğu hemen hemen her büyük uzay programıyla çalıştık. En iyi bilinen uzay aracının yanı sıra daha az bilinen ancak aynı derecede önemli ticari ve diğer araçları test etme konusundaki bu deneyimle, ihtiyacınız olan testleri sizi tatmin edecek şekilde gerçekleştirebiliriz.

 

-

Referanslar: https://nts.com/ntsblog/materials-survive-in-space/