Myslivna_2018

 

Tribologické problémy mechanizmů v kosmu


Prostředí kosmických zařízení – rakety, družice na oběžných drahách a výzkumná vozidla (pro povrch měsíce nebo planet) je extrémní.  Úspěch kosmických expedicí závisí na spolehlivosti jednotlivých mechanizmů a na životnosti a funkčnosti jejich součástí.


Konstrukční řešení mechanizmů a jejich systém mazání musí být spolehlivé, aby odolaly jak těžkým podmínkám při startu nosné rakety, tak extrémním teplotám a vakuu v kosmickém prostředí. Spo-lehlivost zařízení v kosmu závisí na integritě jednotlivých třecích uzlů, jako jsou ložiska, kluzné kroužky, ozubená kola a na použitém mazivu.

Mechanizmy družic lze rozdělit na 2 skupiny:

a) Mechanizmy, které pracují krátkou dobu po dosažení oběžné dráhy (např. mechanizmy, které umožní rozvinutí panelů solárních článků, anténních systémů apod., které jsou při startovací fázi letu na oběžnou dráhu složené).

b) Mechanizmy, které pracují trvale nebo přerušovaně po celou dobu (např. otáčení panelů solárních článků, aby byly stále orientovány na slunce, mechanizmy směrování antén na přijímací stanice na Zemi, mechanizmy stabilizace satelitu (gyroskopy), mechanizmy skenování povrchu země a pod.) V této skupině mechanizmů jsou pro jednotlivé případy velmi odlišné rychlosti pohybu i požadované životnosti. Např. u mezinárodní kosmické stanice se počítá se životností >15 let. U sond směřujících k vnějším planetám sluneční soustavy se musí počítat s ještě delšími časy.
Při startu působí vysoká úroveň vibrací a akustický hluk, které způsobují vysoká proměnná zatížení a vibrace mechanických povrchů v kontaktu. Ta mohou bez příslušných opatření způsobit lokální plastickou deformaci povrchů nebo tzv. „svaření za studena". Taková porucha je nevratná (viz obr. 1).



Obr. 1 Sonda Galileo – porucha mechanizmu antény. Anténa se neotevřela – ztráta 70 % vědeckých údajů. Důvodem
bylo opotřebení povlaku MoS2 na součástech antény během dopravy na povrchu Země a skladováním sondy po dobu  4,5 roku kvůli havárii raketoplánu Challenger.


Při cestě do vesmíru mechanizmus kosmické lodi se rychle odtlakuje a přibližuje se úrovni vakua, které je rovnováhou mezi rychlostí evakuace mechanizmu a rychlostí odplynění materiálů mechanizmu. Např. mechanizmus antény směřující na slunce a mechanizmy ovládající panely solárních článků zajišťujících elektrickou energii pro napájení přístrojů na geostacionární družici, fungují při tlaku řádově 10-7mbar (atmosféra je složena hlavně z vodních par), což je poněkud vyšší než vnějšího prostředí (10-13mbar). Teploty okolního prostředí, ve kterém mechanizmy pracují, se mohou pohybovat od kryogenních teplot (u letů do vzdáleného vesmíru) do zvýšených teplot (např. 250 °C pro satelity v ob-lasti kolem Merkuru).

Specifické podmínky práce třecích uzlů v otevřeném kosmickém prostoru:
- Tendence k intenzivnímu adhezivnímu opotřebení (zadírání) kovových materiálů ve vakuu;
- Působení atomárního kyslíku na třecí povrchy na oběžných drahách kolem země;
- Absence gravitace mění charakter pohybu vzniklých částic otěru;
- Působení slunečního záření;
- Okolní teploty v rozmezí od -50 °C až do +80 °C u telekomunikačních družic, -250 °C do +250 °C u sond pro výzkum hlubokého vesmíru;
- Urychlené vypařování kapalných maziv;
- Stárnutí pryže a degradace polymerů.

Mechanizmy použité u kosmických zařízení vykonávají kluzné i valivé pohyby. Pracují při velmi odlišných rychlostech a zatíženích. Např. velmi malou rychlostí rotace se pohybují sluneční články na geosynchronní družici (přibližně 1 otáčka za den) až vysokootáčková ložiska gyroskopů (8 000 - 20 000 ot./min.) a setrvačníky (obvykle pod 6 000 ot./min.). Lze říci, že jakýkoliv mechanizmus v kosmu bude pracovat v souladu s požadovaným účelem, pokud budou kontaktní plochy dostatečně mazány. Mazivo je nejdůležitější část pohyblivých kosmických mechanizmů. Zařízení pracující leta v kosmickém vakuu bez obsluhy vyžaduje metody pro udržení maziva.

Mazání mechanizmů kosmických zařízení se výrazně liší od situace na povrchu země. Na površích kovů se působením zemské atmosféry vytváří oxidické vrstvy působením chemosorpce a na nich fyzicky absorbované vrstvy molekul vody a dalších sloučenin. U tribologických součástí přítomnost těchto adsorbovaných vrstev zabraňuje bezprostřednímu styku kontaktů kovových materiálů, což vede ke snížení adheze a tření. V kosmickém vakuu se fyzikálně adsorbované vrstvy rychle odstraňují vypařováním. Také oxidické vrstvy se postupně odstraňují. Bez přítomnosti atmosféry zůstávají povrchy nechráněné a mazání je potřebné, aby se zabránilo vysokému tření a opotřebení. Avšak docílení efektivního mazání mechanizmů v kosmu je obtížné kvůli prostředí. Vypařování je vyšší ve vakuu a tedy ztráta olejů může být velmi vysoká. Kromě toho tepelné prostředí v kosmických objektech může být extrémní a také brání použití kapalinných maziv. Při vysokých teplotách molekuly oleje se tepelně rozkládají a při nízkých teplotách kapaliny se stávají příliš viskózními. Výběr maziva pro konkrétní aplikaci musí být v souladu jejich pracovními podmínkami.

Použití kapalných maziv v kosmických mechanizmech je obecně omezeno na oleje s extrémně nízkou vypařitelností jako jsou perfluoropolyetery (PFPE), vícenásobné alkylované cyklopentany (MAC) a polyalfaolefiny (PAO). Kromě olejů se používají též plastická maziva na bázi již zmíněných olejů s přídavkem PTFE a Mo2S jako zahušťovadly. Oleje a plastická maziva na jejich základě se vypařují výrazně pomaleji při a pod pokojovou teplotou. Avšak při vyšších teplotách odstraňování oleje vypařováním výrazně roste, což může výrazně zkrátit životnost mechanizmu. Vypařování také může způsobovat kontaminaci citlivých povrchů (např. optických systémů). Důležitou roli hrají labyrintová těsnění valivých ložisek, která mohou snížit ztrátu oleje až 100×. Málo maziv zůstává efektivních, pokud na ně působí kombinace vysokého vakua a extrémních teplot. Radiace (dána intenzivním tokem elektronů a protonů) je další faktor, který může degradovat maziva. Důležitý pro prodloužení životnosti mazací náplně je též barierový efekt povlaků (např. TiC, Pb a pod.), které brání kontaktu maziv s ocelovým povrchem.

Kromě stability kapalných maziv ve vakuu jsou důležité další charakteristiky jako vysoký viskozitní index, dobré elastohydrodynamické a mezné mazací vlastnosti, odolnost proti záření a proti působení atomárního kyslíku (na nízkých oběžných drahách).

Dnes se používají družice, jejichž antény se musí orientovat na přijímací stanice na Zemi. V současné době se používají 2 základní postupy při stabilizaci družic na jejich dráze:
1. Rotace hlavního tělesa družice pro vytvoření gyroskopické stabilizace
2. Stabilizace ve 3 osách pomocí gyroskopů nebo malých raketových motorků

V prvém případě je rozhraní mezi rotující družicí a směrově orientovanou anténou. Kromě rotace mezi oběma části družice musí zajistit vedení elektrického proudu a signálů. Obvykle komunikační družice pracovaly po dobu 8 - 10 let. Měly valivé uložení (Ø 90 - 110 mm) rotujících částí a elektrický komutátor - kartáč ze zlatých drátků a kroužek pokovený zlatem. Ložiska a kluzné povrchy jsou mazány minerálním olejem s aditivy pro minimalizaci opotřebení v mezném mazacím režimu. Dlouhodobé experimenty ukázaly, že mazivo zůstalo v oblasti původní aplikace po celých 7 let. Pro utěsnění ložisek bylo použito speciální labyrintové těsnění, aby se zabránilo ztrátám oleje vypařováním v kosmickém vakuu. V případě solárních článků, kdy dochází k pomalé rotaci, pevné mazivo ložisek a kluzných kroužků se ukazuje také jako efektivní. Používají se nanesené nebo naprášené povlaky MoS2. Pokud teploty a kontaminace vylučují použití kapalinných maziv, pak se používají pevná maziva. Pevná maziva jsou látky s nízkou smykovou pevností, která zajišťují při jejich nanesení na funkční povrch, nízký koeficient tření. Nejznámějším pevným mazivem je grafit, avšak ve vakuu se rychle opotřebovává, protože jeho mazací schopnost je závislá na přítomnosti vodních par nebo jiných kondenzujících látek. Je proto nevhodný pro kosmické aplikace. Používají se proto jiné materiály s nízkou smykovou pevností jako jsou sirníky kovů, měkké kovy a polymery. Pevná maziva se používají, buď jako tenké povlaky maziva, nebo jako složky samomazných materiálů.

Tenké povlaky pevných maziv (≤ 1 µm) se nanáší na povrchy součástí metodami PVD. Převážně se volí pro mazání přesných ložisek, ozubených kol a šroubů. Zatížení je přenášeno materiály podkladu a protikusu, takže dotyková plocha je určena jejich elastickými vlastnostmi, nikoliv vlastnostmi materiálu tenkého povlaku. Nízká hodnota koeficientu tření je dosažena aplikací povlaků s nízkou smykovou pevností na součásti z materiálů s vysokým modulem pružnosti.

Životnost povlaků MoS2 a Pb ve vakuu se výrazně liší podle způsobu pohybu. Při čistém kluzu životnost povlaku MoS2 je podstatně větší než povlaku Pb, kdežto při valení (valivá ložiska) povlak Pb má mnohonásobně delší životnost. V současné době se však hledá alternativa za olovo kvůli směrnici REACH.

Ve velmi vysokém vakuu mají tyto povlaky velmi nízký koeficient tření (pod 0,01), kdežto v normálních podmínkách vakua se koeficient tření pohybuje v rozmezí 0,01 až 0,04. Opotřebení je extrémně nízké a životnost je vysoká. Při zkouškách ve vlhkém vzduchu mají tyto povlaky počáteční koeficient tření téměř 0,015 a omezenou životnost. Mechanizmy před použitím v kosmu se musí testovat na Zemi, a proto se hledají způsoby pro zlepšení výkonnosti těchto povlaků za atmosférických podmínek.

Jedna z metod je modifikovat povlaky MoS2 vrstvami kovů jako je Au. Inkluze Au výrazně prodlužují í životnost povlaků (2× v suchém dusíku a 3-4× ve vzduchu). Současné povlakování dalšími kovy (Cr, Co, Ni a Ta) mají také synergický účinek. Vlastnosti MoS2 mohou být také zlepšeny současným povlakováním Ti. Tyto povlaky jsou méně citlivé na atmosférickou vodní páru než čistý MoS2. Výzkumné práce v oblasti materiálů pro třecí uzly se zaměřují na vývoj maziv odolných proti radia-čnímu poškozování, tvrdých mazacích povlaků, kluzných materiálů na bázi uhlíku, keramických materiálů, DLC povlaků a magneticky řízených materiálů.

V minulosti byly použity 2 přístupy ke zkoušení maziv a kluzných povlaků, buď zkoušení na skutečném zařízení na orbitální dráze, nebo pokusit se modelovat na zemi podmínky při letu. Zkoušky jsou drahé a časově velmi náročné. Ve světě existuje pouze několik laboratoří, které mohou komplexně zkoušet kluzné uzly i celé kosmické mechanizmy při různých režimech modelujících podmínky při startu a dlouhodobém letu v kosmickém prostoru. Hlavním trendem ve vývoji kosmických zařízení další generace je výrazné prodloužení životnosti jednotlivých tribologických mechanizmů, včetně jejich spolehlivé funkce při opakovaných startech a přistáních na Zemi.
Text: Prof. Ing. Jan Suchánek, CSc.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
2 + 1 =
Odoslanie formulára

Tribotechnika_5_2018

TriboTechnika_5_2018 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd