Fırlatma aracı kaplamalarında fiber kompozit malzemelerin mevcut durumu ve gelişim eğilimleri nelerdir?

Uydu kaplaması, iyi bir aerodinamik şekle, hafif yapısal kütleye ve güvenilir ayırma kabiliyetine sahip olan bir fırlatma aracının en önemli bileşenlerinden biridir. Ana işlevi, fırlatma öncesi ve uçuş sırasında fırlatma aracının aerodinamik şeklini korumak, içerideki faydalı yükü dış doğal çevrenin etkisinden ve aerodinamik erozyondan korumak ve atmosferden çıktıktan sonra roketten güvenilir şekilde ayrılmaktır. Şekil 1, fırlatma aracı kaplamasını ayırma durumunda göstermektedir. Kaplama, fırlatma aracının ön tarafında yer alır ve fırlatma aracının içindeki uyduyu ve diğer hassas aletleri atmosferik çıkış sırasında ısı korozyonundan korur. Fırlatma aracı atmosferden çıktığında kaplama artık amacına hizmet etmez ve bu noktada roketin ağırlığını azaltmak için kaplama fırlatma aracından ayrılır. Kaplama içindeki faydalı yükün ayrılmadan önce dış dünya ile veri aktarımını sağlamak için kaplama genel olarak elektromanyetik dalga iletim yeteneklerine sahiptir. Şu anda hem yurt içinde hem de yurt dışında uydu fuarları temel olarak iki kategoriye ayrılıyor: metal perçinli yapılar ve kompozit malzeme yapıları. Metal perçinli yapılarda genellikle alüminyum alaşımları kullanılırken, kompozit malzeme yapılarında dalga aktarma yetenekleri olan reçine-bazlı fiber kompozit malzemeler kullanılır. Reçine-bazlı fiber kompozit malzemelerden tasarlanıp üretilen kaplamalar, yapısal ağırlığı etkili bir şekilde %20-%30 oranında azaltabilir, roket yük kapasitesini artırabilir ve aynı yük altında motor yakıt tüketimini azaltarak roket fırlatma maliyetlerini azaltabilir. Ayrıca reçine{18}}bazlı fiber kompozit malzemeler, metalik malzemelere göre daha fazla tasarım esnekliği sunarak entegre tasarım ve üretime olanak tanır, yapısal bileşenlerin sayısını azaltır ve yapısal güvenilirliği artırır. Reçine bazlı fiber kompozit malzemelerin mükemmel korozyon direnci, nemli ısı direnci, radyasyon direnci ve yorulma direnci, kaplama yapısının hizmet ömrünü uzatır, böylece kaplamanın iyileşmesini sağlar.

2.1 Panel Malzemeleri Panel yapısı kaplamanın aerodinamik şeklini sağlar. Panel malzemesi, bir matris malzemesi ve takviye malzemelerinden oluşan, reçine- bazlı bir fiber kompozit malzemedir. Reçine-bazlı fiber kompozit malzemeler hafiftir, yüksek-mukavemetlidir ve ısıya-dirençlidir, yüksek tasarım esnekliğine sahiptir ve geniş bir aralıkta dalga-iletme işlevselliği elde edebilir, bu da onları kaplamalar için ideal malzemeler haline getirir. Bu bölümde, hem yurt içinde hem de yurt dışında yaygın olarak kullanılan fiber ve reçine-bazlı kaplama malzemeleri incelenmektedir.

2.1.1 Fiber Malzemeler Reçine-bazlı fiber kompozitler, yüksek spesifik mukavemet ve yüksek spesifik modül gibi avantajlara sahiptir. Hem yurt içinde hem de yurt dışında kaplama panellerinde yaygın olarak kullanılan yüksek-performanslı takviye malzemeleri arasında karbon elyafı, cam elyafı ve aramid elyafı yer alır.

Karbon fiber, yüksek eksenel mukavemet ve modül, düşük yoğunluk, sürünme olmaması, iyi yorulma direnci, düşük termal genleşme katsayısı ve iyi elektriksel iletkenlik ve elektromanyetik koruma performansı gibi birçok mükemmel özelliğe sahiptir. Havacılık alanında yaygın olarak kullanılmaktadır.fiberglasdalgalı-şeffaf kaplama kaplamaları için en sık kullanılan takviye malzemesidir; yüksek mukavemet, mükemmel dielektrik özellikler, düşük nem emilimi ve boyutsal stabilite gibi avantajlara sahiptir. KuvarsfiberglasTüm cam elyaflar arasında en iyi dielektrik özelliklere sahiptir, geniş bir frekans bandında esas olarak değişmeden kalır ve kaplamalarda geniş bant dalga iletimini sağlar. Ayrıca, kuvars elyafı yüksek sıcaklıklarda mükemmel dalga iletim performansı sergilemektedir ve yurtdışındaki en gelişmiş kaportalarda şu anda takviye malzemesi olarak kuvars elyafı kullanılmaktadır. Yüksek-teknolojiye sahip özel bir elyaf olan Aramid elyaf, yüksek mukavemete ve yüksek modüle, mükemmel ısı direncine ve alev geciktiriciliğe sahiptir ve aramid kurşun geçirmez yelekler ve kasklar gibi havacılık uygulamalarında kullanılır. Bununla birlikte, aramid elyafın higroskopik doğası onun dielektrik özelliklerini etkileyerek dalga-şeffaf kaplamalardaki uygulamasını sınırlandırır.

2.1.2 Reçine Malzemeleri Kaplamalar genellikle panel matris malzemesi olarak yüksek-performanslı ısıyla sertleşen reçineler kullanır; bunlar arasında epoksi reçine (EP), bismaleimid reçine (BMI) ve siyanat ester reçine (CE) vb. yer alır. Epoksi reçine en yaygın kullanılan reçine malzemesidir. Mükemmel termodinamik özelliklere, güçlü işlenebilirliğe ve üstün elektriksel özelliklere sahiptir ve bu da onu kompozit reçine matrislerinin temelini oluşturur. Bununla birlikte, epoksi reçinenin darbe direnci zayıftır ve nemli ve sıcak koşullar altında mekanik özelliklerinde önemli bir düşüş vardır. Son yıllarda araştırmacılar, epoksi sistemlerin tokluğunu ve ısı direncini artırmak için esnek gruplar eklemeye odaklandılar. Aromatik bir poliimid malzeme olarak bismaleimid (BMI) reçinesi, mükemmel yüksek ve düşük sıcaklık direncine, yüksek mukavemete ve modüle, düşük termal genleşme katsayısına, düşük dielektrik sabiti ve kaybına, düşük vakum uçucularına ve düşük uçucu yoğunlaşabilir maddelere sahiptir. Aynı zamanda işlenme kolaylığı gibi epoksi reçineyle benzer avantajlara sahiptir ve havacılık alanında yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak dezavantajları arasında yüksek erime noktası, zayıf çözünürlük ve yüksek kırılganlık sayılabilir. Siyanat ester reçinesi (CE), 1980'lerde geliştirilen yeni bir reçine türüdür. Düşük dielektrik sabiti, yüksek sıcaklık direnci ve nemli ısıya karşı direnç özelliklerine sahiptir ve esas olarak yüksek-performanslı baskılı devre kartlarında ve yüksek-performanslı şeffaf yapısal malzemelerde kullanılır. Dezavantajları arasında yüksek kırılganlık ve sertleştikten sonra zayıf tokluk sayılabilir. Reçine sisteminin dayanıklılığını arttırmak için BMI ve CE genellikle kompozit malzeme matrisi olarak sertleştirilmiş modifiye edilmiş karışık reçine sistemlerini kullanır. Modifiye edilmiş BMI ve CE reçine sistemleri, nemli ısıya ve dielektrik özelliklere karşı mükemmel direnç sağlarken yapının darbe dayanımını da artırabilir.

2.2 Sandviç Malzemeler Kaplama sandviç yapısı panel malzemesi için destekleyici bir rol oynar ve performans parametreleri, uydu kaplamanın dalga-iletme bölümünün mekanik özelliklerini büyük ölçüde etkiler. Sandviç malzemesi şu gereksinimleri karşılamalıdır: düşük yoğunluk, yüksek basınç modülü, yüksek kesme modülü, yüksek eğilme mukavemeti ve mükemmel dielektrik özellikler. Bu gereksinimleri karşılayan ana kaplama sandviç malzemeleri şunlardır:fiberglaspetek, alüminyum petek, Nomex kağıt petek ve PMI (polimetil metakrilat) köpük petek.

Fiberglas petek önemsiz bir ağırlık azaltma etkisine ve zayıf mekanik özelliklere sahiptir. Havacılık alanında, Nomex kağıt petek ve PMI köpük petek yavaş yavaş yerini aldı; alüminyum petek ve karbon fiber panellerin kombinasyonu, uzay aracının zorlu ortamında kompozit malzemelerin korozyon direnci gereksinimlerini karşılayamayarak elektrokimyasal korozyona neden olabilir; Nomex kağıt petek, fenolik reçine ile emprenye edilmiş aramidden yapılır ve Nomex petek ile karbon fiber panellerin kombinasyonu elektrokimyasal korozyona neden olmaz, PMI sert köpükten daha yüksek bir kesme modülüne sahiptir, maliyeti daha düşüktür, iyi işlenebilirliğe sahiptir ve gövdede, konektörlerde ve diğer parçalarda yaygın olarak kullanılır, bu da onu havacılık alanında yaygın olarak kullanılmasını sağlar; PMI köpük sandviç yapısı birçok mekanik özellik açısından diğer petek sandviç yapılardan üstündür ve yüksek-sert bir yapıdır. 0,5 MPa'yı aşan çekme mukavemeti, 100 kg/m³'ün altındaki yoğunluk ve 240 dereceye ulaşan ısıl bozulma sıcaklığı ile PMI, EP, BMI ve CE gibi termoset reçinelerle mükemmel arayüzey bağlanma mukavemeti sergiler. Sandviç yapı olduğundan panel arayüzünden ayrılmaya daha az eğilimlidir. Ayrıca PMI yapıları, yük gereksinimlerini karşılarken geniş bant dalga iletimini mümkün kılan mükemmel dalga iletim performansı sunar. Yurt dışında fuarlarda yaygın olarak kullanılmakta olup, yurt içinde ise ağırlıklı olarak sivil uçakların yapısal bileşenlerinde kullanılmaktadır. Yeni nesil fırlatma araçları (Uzun Yürüyüş 3A serisi-kaporta ön konisi için yurt içinde üretilmiş bir PMI sandviç yapısını benimseyerek uydu fırlatma maliyetlerini azalttı ve geniş uygulama olasılıkları ortaya koydu.

Yerli Kaplama Malzemesi Gelişiminin Mevcut Durumu

Ülkemin fırlatma araçlarına ve diğer uzay araçlarına yönelik kaportaların gelecekteki geliştirme ihtiyaçlarını karşılamak amacıyla, Çin'deki çeşitli üniversiteler ve araştırma enstitüleri, yüksek-performanslı, düşük-maliyetli fiber kompozit malzemeler tasarlamak ve geliştirmek amacıyla fiber kompozit malzemeleri değiştirmeye odaklandı. Bu, fırlatma aracının uzaya erişim yeteneğini artırdı ve fırlatma döngüleri ile maliyetleri azalttı.

Fırlatma aracı kaportaları için reçine{0}bazlı malzemeler araştırmasında Yang Shiyong ve ark. Çin Bilimler Akademisi Kimya Enstitüsü'nden, birinci nesil 316 dereceye dayanıklı, ikinci nesil 371 dereceye dayanıklı ve üçüncü nesil 426 dereceye dayanıklı olmak üzere bir dizi poliimid reçine matrisi geliştirdiler. Ayrıca yüksek-sıcaklığa dayanıklı karbon fiber takviyeli reçine matrisli kompozitler için vakum otoklav teknolojisi, vakumlu yüksek-sıcaklık RTM teknolojisi ve reaktif sıcak kalıplama teknolojisi dahil olmak üzere farklı kalıplama yöntemleri geliştirdiler. He Guowen, poliimid kompozitlerin hazırlanması ve arayüzey bağlanma mukavemeti üzerine mikroskobik analiz çalışmaları yürüttü ve poliimid kompozitlerin uçak kaplamalarında uygulanması için bir referans sağladı. Jilin Üniversitesi'nden Rao Xianhua, yüksek-performanslı fenilasetilen-sonlu poliimid reçine matrisleri ve bunların karbon fiber kompozitleri üzerinde araştırma yaparak, yüksek-sıcaklığa dayanıklı poliimid karbon fiber kompozit kaplamaların geliştirilmesine yönelik ufukları genişletti. Havacılık ve Uzay Malzemeleri ve Süreçleri Araştırma Enstitüsü, 370 dereceye kadar sıcaklıklarda uzun süre-kullanılabilecek, kuvars-takviyeli bir poliimid kompozit malzeme geliştirdi. Bu malzeme aynı zamanda düşük dielektrik sabiti ve dielektrik kaybı, istikrarlı performans ve mükemmel dielektrik ve mekanik özellikler de sergiler; bu da onu dalga-şeffaf/yüksek-yük-taşıyan fonksiyonel malzeme için uygun bir aday haline getirir. Zhang Xing ve diğerleri. cam elyaf panel-aramid kağıt petek sandviç yapısını kullanarak tam dalga-şeffaf bir uydu kaplaması tasarladı. Deneysel sonuçlar, ortalama %90 çok yönlü dalga iletim hızıyla yüksek{26}}verimli bir dalga iletim kapasitesine ulaştığını doğruladı. Ağırlıkta %20'nin üzerinde azalmaya rağmen yük taşıma kapasitesi hâlâ tasarım gereksinimlerini karşılıyor; hafiflik, yüksek yük taşıma kapasitesi ve uçuş testlerinde doğrulanan çok yönlü dalga iletim işlevselliğine ulaşıyor. Harbin FRP Araştırma Enstitüsü'nden Qu Guangyan, yüksek-mukavemetli karbon fiber kompozit malzemenin ortak kürleme işlemini kullanarak-hafif, yüksek{33}}mukavemetli ve kalınlık-kontrol edilebilir bir kompozit malzeme kaplama yapısı tasarladı. Bu, büyük{38}}ölçekli entegre kalıplama teknolojisinin getirdiği kalıp tasarımı zorluklarının üstesinden gelir. Yüksek mukavemetli karbon fiber kompozit malzemeden kaplama, aerodinamik şeklini korurken aynı zamanda büyük boyutlar sağlar ve dahili yükü dış çevresel etkilerden korur.

Yurtdışında Kaplama Malzemesi Geliştirmenin Mevcut Durumu

Amerika Birleşik Devletleri, fırlatma aracı kaporta malzemelerinin tasarımı ve üretiminde en ileri teknolojiye sahiptir. Kaplama malzemeleri hem inorganik hem de organik malzemeleri içerir ve kalıplama işlemleri vakumlu torbalama, kalıplama ve dökümü içerir. ABD, kapsamlı kaporta performans testleri ve deneysel yöntemlerin yanı sıra, gerçek-dünya testleri için rüzgar tüneli teknolojisine de sahiptir. 1970'lerde ABD, Duroid 5870 kompozit malzemeyi geliştirdi ve kaplama termal yüklemesi, yüksek-sıcaklıktaki elektriksel özellikler, aşındırma ve yağmur erozyonu direncine ilişkin testleri tamamladı. Ayrıca elektriksel performans testi için otomatik kaporta test ekipmanı da geliştirdi. Şu anda, yüksek-sıcaklığa dayanıklı organik reçine-bazlı kompozit malzeme (HTPMC'ler) sisteminde, ABD tarafından geliştirilen PI reçineleri (PMR-15 ve PMR-50) havacılık endüstrisinde temel malzemeler haline gelmiş ve PI kompozit malzemelerin büyük yapısal bileşenlerde uygulanmasını önemli ölçüde teşvik etmiş ve maliyetleri düşürmüştür. Kuvars elyafın mükemmel dielektrik özellikleri geniş bantlı dalga iletimini kolaylaştırır ve çoğu yabancı fırlatma aracı kaportası artık kuvars elyaf kompozit malzemelerden yapılmıştır. Amerika Birleşik Devletleri, çalışma sıcaklığı 538 dereceyi aşan, kuvars elyafla güçlendirilmiş bir PI reçine kompozit kaplama yapısı geliştirdi. Rusya,{21}}dünya lideri kompozit malzeme üretim teknolojisine sahiptir. Gelişmiş yüksek sıcaklığa dayanıklı malzemeler geliştirip uygularken, aynı zamanda geniş bant kaplamalara ve elektromanyetik/kızılötesi çift modlu kaplamalara uygun yeni kompozit malzemeler de geliştirdi. Eş zamanlı olarak, kaplamaların yapısal ve elektriksel performans tasarımına odaklanarak kaplama işleme ve üretim teknolojileri üzerine araştırmaları güçlendiriyor. Rusya tarafından geliştirilen modifiye fenolik reçine, maksimum 600 derecelik çalışma sıcaklığı ile çok yüksek düzeyde işleme ve dalga iletim performansı elde etmiş ve geniş bant kaportalara başarıyla uygulanmıştır.