Materiales utilizados en aplicaciones espaciales - e

Jesús Rodríguez
Jefe del Departamento de Garantía de Producto
EADS-CASA ESPACIO
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XII JORNADA
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DA DE
E MATERIALES
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• LANZADORES.
- Ambiente creado durante el lanzamiento.
- Elementos típicos de un lanzador.
- Evolución histórica de los materiales y de los conceptos estructurales
empleados en cohetes lanzadores.
•SATÉLITES
- Ejemplo del ciclo de vida de una sonda espacial –EXOMARS-.
- Misiones y cargas de pago de los satélites.
-Ambiente durante el lanzamiento y en el espacio.
•MATERIALES
-Subsistemas de potencia (células solares, baterías, cables, contactos y
uniones eléctricas).
- Control Térmico (recubrimientos, películas y separadores para MLI´s,
caloductos, fijaciones y calentadores eléctricos).
- Estructuras, mecanismos y reflectores.
- Fibras y resinas para composites.
- Revestimientos, núcleos y adhesivos para
sándwiches.
- Adhesivos de uso general.
- Materiales metálicos.
- Lubricantes.
- Elastómeros.
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LANZADOR ARIANE 5
Ambiente creado durante el lanzamiento.
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LANZADORES
Evolución histórica de los materiales y de los conceptos
estructurales empleados en cohetes lanzadores.
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LANZADORES
ARIANE 4
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LANZADORES
ARIANE 5 Primeras versiones
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LANZADORES
ARIANE 5 ESC-A
3936 PAYLOAD ADAPTER
PAYLOAD ADAPTERS
VEHICLE EQUIPMENT BAY
INTER STAGE STRUCTURE
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LANZADORES
ARIANE 5 ESC-A
CRSS
Clamp Ring
Separation
System
+
ACU 1194 H
SAD+
Shock
Attenuation
Device
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LANZADORES
OTROS LANZADORES
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LANZADORES
FUTUROS DESARROLLOS
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LANZADORES
FUTUROS DESARROLLOS
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LANZADORES
FUTUROS DESARROLLOS
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SATÉLITES
Ejemplo del ciclo de vida de una sonda espacial –EXOMARS-.
Misiones:
•Telecomunicaciones de uso civil.
•Observación meteorológica.
•Estaciones orbitales.
•Navegación.
•Exploración del universo.
•Observación de la Tierra (clima, cultivos, deforestación, contaminación, etc.).
•Científicos (astronomía, estudios de rayos X, γ...).
•Militares (telecomunicaciones, observación, apuntamiento de blancos, etc.).
Cargas de pago:
•Antenas de Tx y Rx.
•Telescopios.
•Instrumentos científicos (ópticos, interferómetros, espectrómetros, radiómetros, etc.).
•Emisores GPS.
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SATÉLITES - MISIONES
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SATÉLITES - MISIONES
Spanish Earth Observation Satellite
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SATÉLITES – CARGAS DE PAGO
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SATÉLITES – CARGAS DE PAGO
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SATÉLITES
Ambiente durante el lanzamiento y en el
espacio.
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SATÉLITES
Ambiente antes y durante el lanzamiento
Humedad
•Cambios de algunas propiedades mecánicas y físicas (p.e. rigidez dieléctrica) en los
materiales con alta higroscopia.
•Contracciones, perdida de estabilidad dimensional y esfuerzos en la I/F´s de las estructuras.
•Aparición de corrosión galvánica, especialmente intensa si el contacto es con materiales
muy catódicos como el oro y el carbono.
Ruido y vibraciones
•Producido por los motores, los gases que salen por las toberas y se reflejan en el suelo,
las turbulencias aerodinámicas y los acoplamientos dinámicos (coincidencia de la
frecuencia de resonancia) entre distintos elementos que se trasmiten a lo largo de todo
el lanzador.
•El ruido es especialmente crítico para elementos ligeros y de gran superficie de
exposición (antenas, paneles, etc).
•Las vibraciones aleatorias lo son para elementos pequeños, más pesados y con
holguras (mecanismos, uniones atornilladas, etc.).
•Se estudian y ensayan las cargas estructurales y las deformaciones que se generan.
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SATÉLITES
Ambiente durante el lanzamiento
Aceleraciones
•Varían en función del lanzador (3 g´s en vehículos tripulados y hasta 13,5 g´s en misiles) y
la fase del lanzamiento.
•∆v necesario ~ 9.5 Km/h.
Choques
•Aceleraciones puntuales de muy alta frecuencia producidas por separación de etapas,
dispositivos pirotécnicos y golpes de fin de carrera de elementos desplegables, etc.
•En milisegundos, se producen aceleraciones del orden de 2.000 g´s, a frecuencias
superiores a 1.5 kHz.
Despresurización
El rápido descenso de la presión (10 mb/s) provoca la aparición de cargas estáticas en los
satélites.
•Se incorporan respiraderos y agujeros de ventilación en los volúmenes cerrados (MLI´s,
núcleos de sándwich, tubos cerrados en los extremos, etc).
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SATÉLITES
Ambiente durante el lanzamiento
Térmico
•Las altas temperaturas exteriores son consecuencia de la resistencia aerodinámica del
vehículo lanzador.
•Debido a los flujos aerotérmicos, la temperatura en la cubierta externa del lanzador
alcanza los 280°C.
•Los aislamientos externos son planchas de polvo de corcho ligado con resina fenólica, que
posteriormente se pega con adhesivo de silicona.
•Finalmente se recubre con pintura de silicona, eléctricamente conductiva, y se pone a
masa con el lanzador para evitar que las cargas electrostáticas generen arcos voltaicos.
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SATÉLITES
Ambiente en el espacio.
Vacío
•El vacío, en combinación con la temperatura, provocará que los polímeros liberen volátiles
y que algunos materiales se sublimen a temperaturas moderadas (el cadmio y el zinc puros
están rigurosamente prohibidos por esta razón).
•Cuando este fenómeno de desgasificación se produce, además de reducirse algunas
propiedades mecánicas, el material generado puede condensarse en equipos ópticos o
electrónicos, afectando gravemente a sus propiedades superficiales del material o al
funcionamiento nominal de algún equipo.
•Para minimizar este problema:
-Se seleccionan cuidadosamente los materiales a emplear, eligiendo los que tengan
valores de desgasificación que no excedan determinados niveles.
-Se aplican ciclos de desgasificación en tierra (bake out) para, al menos, reducir los
volátiles condensables que incorporan los materiales orgánicos, sobre todo resinas y
pinturas. Los niveles habitualmente requeridos son T= 125ºC , vacio >10 -4 Torr y
t =24 horas
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SATÉLITES
Ambiente en el espacio.
Radiación
•Los satélites se verán sometidos a radiaciones ultravioleta, de partículas de alta energía
(protones y electrones), de rayos cósmicos y de erupciones solares.
•La radiación ultravioleta deteriora de forma notable las fibras de aramida, a menos que
estén protegidas por la matriz. Las fibras de carbono y vidrio no se degradarán ni sus
propiedades mecánicas se verán afectadas.
•La radiación de partículas penetra en el interior del material y puede producir efectos no
deseados y daños importantes en algunas propiedades físicas como: rotura de enlaces
químicos, calentamiento, polimerizaciones cruzadas, variaciones en la conductividad,
decoloración de vidrios, daños estructurales, etc.
Oxigeno atómico (OA o ATOX)
• En órbitas bajas (300 – 900 Km), la radiación ultravioleta disocia el oxigeno
molecular creando altos niveles de flujo de OA (en el orden de 1014 átomos/cm2 s).
• El OA provocará daños por oxidación directa de las cadenas de polímeros orgánicos,
que formarán y liberarán volátiles, con la consiguiente perdida de masa. A nivel
microscópico, la superficie del material expuesto se volverá rugosa y quebradiza,
perdiéndose cantidades significativas de material.
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SATÉLITES
Ambiente en el espacio.
Oxigeno atómico (OA o ATOX)
• El kapton (poliimida) es muy reactivo, y se
verá muy afectado.
• El TEFLON (polifluor-etileno-propileno)
es prácticamente insensible.
• La reactividad de las matrices de base
hidrocarburos depende de sus radicales y
grupos reactivos, pero se reduce varios
órdenes de magnitud si la estructura
molecular de la matriz incorpora flúor o
silicona.
• Los composites de matriz metálica (Al/C,
Mg/C, Al/SiC) o de matriz de vidrio no se ven
afectados en absoluto por este fenómeno
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SATÉLITES
Ambiente en el espacio.
Viruta espacial
• Los impactos producidos por micrometeoritos y partículas sólidas
generadas por la actividad humana en el espacio, pueden ser
extremadamente peligros si afectan a elementos vitales para la misión
(componentes electrónicos, mecanismos, baterías, módulos habitados, etc.).
•El impacto de una partícula de 0,7 mm de diámetro, desplazándose a 6
Km/s, podría penetrar un panel de aleación de aluminio de 2,5 mm de
espesor, causando daños catastróficos.
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MATERIALES
Subsistemas de potencia
•Células solares: Silicio, Arseniuro de Galio
(GaAs).
•Baterías: Ion de Litio (Li-ion).
•Cables:
-Conductores de cobre puro con
recubrimiento de plata como
protección externa (19 hebras)
-Aislamiento eléctrico exterior :
Tefzel (ETFE) y Kapton (Poliimida)
•Protección eléctrica: Manguitos
termorretractables de Kynar (fluorocarbono)
o poliolefinas.
•Contactos: Latón, bronce y cobre, siempre
recubierto de oro electrodepositado.
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MATERIALES
Subsistemas de potencia
•Blindaje de mazos: Cinta de aluminio puro (AA 1050) o
malla de cobre recubierta de plata.
•Estaño :
-Sn 60 (60%Sn–40%Pb).- Preestañado de
componentes.
-Sn 63 (63%Sn–37%Pb).- Soldadura de
componentes preestañados a circuitos
impresos.
-Sn 62 (62%Sn–36%Pb-2%Ag).-Preestañado
y soldadura de cables recubiertos de Ag.
-Sn 96 (96%Sn–4%Ag).- Soldadura de cables
rígidos (RF) y soldadura de alta resistencia.
•El único Flux (decapante + antioxidante ) permitido es
de tipo Rosin, y en pequeñas proporciones.
•El Sn puro (>96%) está rigurosamente prohibido para
evitar el crecimiento de whiskers
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MATERIALES
Control térmico
•Recubrimientos:
-Pinturas de silicona y poliuretano con carga de
carbono o pigmentos de óxido de zinc (ZnO) o
dióxido de titanio (TiO2). Existen versiones
eléctricamente conductivas (cargadas con
partículas de Ag o Al ) para evitar que las
superficies externas se carguen eléctricamente.
-Películas plásticas: Kapton (Poliimida), Teflon
(polifluor-etileno-propileno), Mylar (poliéster),
metalizados con Au, Al, ITO (oxido de estañoindio), INCONEL y Ag, todos ellos depositados
en vacío por evaporación o “sputtering”.
-Espejos reflectantes (OSR): Cuarzo, GaAs o
dioxido de silicio (SiO2), con recubrimiento de
ITO (oxido de estaño indio).
•Separadores:
Separadores Dacron (poliéster) o nylon.
•Fijaciones: Velcros de poliéster y Tefzel. Pines de Tefzel o Delrín (resina
acetálica).
•Calentadores: Resistencia de cobre embebido en láminas de Kapton que
se pegan con adhesivo epoxi o acrílico.
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MATERIALES
Control térmico
Caloductos (Heat Pipes)
-Tuberías de aleación de aluminio-magnesio-silicio
(6061) ó 6063, acero inoxidable AISI 304 y cobre
-Elemento intercambiador :
Temperaturas medias : Amoníaco o agua.
Alta temperatura : Mercurio.
Temperaturas criogénicas : Helio, Argón.
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MATERIALES: Estructuras, mecanismos y
reflectores
Se comparan alternativas de diseño, teniendo en
cuenta las siguientes características:
Técnicas
·Resistencia.
·Rigidez.
·Densidad.
·Conductividad térmica.
·Expansión térmica
·Expansión higroelástica.
·Resistencia a la corrosión, incluido
tenso-corrosión (SCC)
·Ductilidad.
·Densidad.
.Tolerancia al daño.
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No técnicas
·Facilidad de fabricación.
·Versatilidad de posibilidades de unión.
·Coste.
·Disponibilidad en el mercado.
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MATERIALES :Estructuras, mecanismos y
reflectores
Composites
•Excelentes propiedades específicas.
•Buen comportamiento anticorrosión.
•Resistencia a fatiga.
•Difícil propagación de grietas.
•Anisotropía mecánica y térmica.
•Bajo CTE.
•Posibilidad de fabricar grandes piezas (reducción de piezas elementales y operaciones de
montaje)
Fibras de vidrio .- Circuitos impresos (sólo tipo S con resina epoxi) y aislamiento
térmico.
•Alta densidad, buen aislante térmico y eléctrico, bajo precio, transparente a algunas
señales radioeléctricas y bajo módulo de elasticidad
Fibras cerámicas.- Mejorantes de aleaciones metálicas y protecciones térmicas.
•Idóneas para alta temperatura, soportan choques térmicos y alto precio
Fibras de boro.-Refuerzo de matrices de aluminio y titanio.
•Excelentes propiedades de resistencia y rigidez, alto coste de fabricación y muy lento
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MATERIALES :Estructuras, mecanismos y
reflectores
Composites
Fibras cerámicas.- Mejorantes de aleaciones metálicas y protecciones térmicas.
•Idóneas para alta temperatura, soportan choques térmicos, alto precio.
Fibras de aramida .- Revestimientos de sándwich y núcleos radiotransparentes, protecciones
exteriores anti-impactos.
•Buena resistencia a tracción, buena resiliencia, buen aislante térmico y eléctrico, bajo CTE y
alto CME, transparente a algunas señales radioeléctricas, bajo módulo a tracción, y baja
resistencia a compresión
Fibras de carbono/grafito .-Estructuras primarias, revestimientos de sándwich, tubos,
reflectores, tanques de combustible o helio, baffles (tubos de telescopios) , ….
•Baja densidad, buenas conductoras térmicas y eléctricas, precio moderado, bajo CTE y
moderado CME, permiten optimizar resistencia o rigidez -aunque no a la vez-,
insensibles a combustibles.
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MATERIALES: Estructuras, mecanismos y
reflectores
Composites
Resinas termoestables
EPOXI.- Son las más utilizadas. Sus ventajas son la procesabilidad (temp. de curado entre 120ºC y 180
ºC), moderada absorción de agua, precio asumible, buena resistencia a la fatiga y buena cortadura
interlaminar.
POLIIMIDAS Y BISMALIMIDAS.-Características similares a las epoxi en cuanto a procesabilidad,
manejabilidad y propiedades finales del laminado, temperaturas de uso del orden de 280ºC, peor
resiliencia que las epoxi, desprenden más volátiles al curar (mayor riesgo de porosidad), menos
productos en el mercado y mayor precio que las epoxi.
CIANO-ESTER.-Características del laminado similares o superiores a las epoxi, con temperaturas de
curado de 170ºC se consiguen Tg´s de hasta 290ºC, son menos higroscópicas que las epoxi (mayor
estabilidad dimensional en vacío), menor tendencia a la formación de microgrietas, poca variedad en el
mercado (principalmente existen versiones de cinta unidireccional UHM o HM, ideal para reflectores de
antenas), precio similar a las epoxi.
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MATERIALES: Estructuras, mecanismos y
reflectores
Sándwiches
Revestimientos
Metálicos.- Aluminio y titanio.
Materiales compuestos.-Fibras de carbono y aramidas (generalmente fabricados a partir de
preimpegnados, tanto cintas como tejidos).
Adhesivos
Epoxi modificados con nylon, fenólicos o nitrilos.
Núcleos
Metálicos.- Aluminio (2024,
5052,5056) y titanio.
Otros.-Fibra de vidrio y
aramidas (nomex).
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MATERIALES: Estructuras, mecanismos y
reflectores
Adhesivos para otros usos
•Epoxi en pasta para pegados de calentadores, soportes, refuerzos, velcros. Existen
versiones eléctricamente conductivas.
•De base silicona para pegado de OSR´s, células solares, puntos de puesta a masa de
superficies de control térmico, encapsulado de componentes electrónicos etc.
•De base poliuretano para bloqueo de elementos de unión.
•Acrílicos para pegado de calentadores, películas térmicas y separadores de antenas
multicapa.
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MATERIALES: Estructuras, mecanismos y
reflectores
Materiales metálicos
Aleaciones de aluminio .-Al-Zn (7075,7050) y Al-Cu (2024) en estado T73xx.- Revestimientos de sándwiches, soportes,
elementos de unión, elementos estructurales en general, ...
-Al-Mg (5052, 5056).-Núcleos de sándwiches.
-Al puro (1050,1100).-Tiras de continuidad eléctrica, y térmica.
•Abundante, ligero, resistente a la corrosión, buena conductividad térmica y eléctrica, disponible
en multitud de formatos (foils, chapa, chapones, redondos, perfiles extruidos, forjados,...), σt de
hasta 700 Mpa, compatible con todos los procesos de fabricación y montaje, ...
Aleaciones férreas .- (σt >1000 Mpa, inoxidables y amagnéticos)
-Aceros para temple y revenido( AISI 4137).-Tornillos, tuercas, arandelas, engranajes y
cojinetes.
-Aceros refractarios (AISI 420, 431 y 440C.)-Pistas de cojinetes, rótulas, rodamientos y
tuberías.
-Aceros endurecidos por precipitación –PH- (17-7-PH, 15-5-PH , 17-4-PH y A286).- Muelles,
piezas conformadas, tuberías y sobre todo elementos de unión.
-Aceros endurecidos por precipitación en fase martensítica –Maraging- (18Ni1700 y
18Ni2400).- Arandelas de muelles y tornillería.
•Elevada dureza, resistencia a la fatiga, al desgaste y a los impactos, alto SCC
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E MATERIALES
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MATERIALES: Estructuras, mecanismos y
reflectores
Materiales metálicos
Aleaciones de titanio .Ti-6Al-4V (IMI 318) y Ti-4Al-4Mo-2Sn-0,5Si (IMI 550).-Soportes, rigidizadores, elementos de
mecanismos, tanques, tuberías y elementos de fijación.
•Baja densidad, excelentes propiedades mecánicas y alta resistencia a la tenso-corrosión.
Aleaciones de cobre.- (σt >1300 Mpa).
Co-Be 172, bronce fosforoso (CA 510 ).-Elementos de mecanismos, muelles y roscas postizas
•Alta conductividad eléctrica y térmica, elevada resistencia a tracción, alta resistencia a fatiga y
buen comportamiento de SCC.
Aleaciones de base níquel
INCONEL 600, 718 y X-750 - MONEL 400 y K500.-Elementos de mecanismos (ejes,
pasadores, apoyos, muelles, ...) y elementos de unión.
•Amagnéticos, excelentes propiedades de SCC, de fatiga, de resistencia mecánica, y de resistencia
a la corrosión.
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E MATERIALES
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MATERIALES: Estructuras, mecanismos y
reflectores
Lubricantes
Sólidos.- (ciclos de funcionamiento bajos o medios, esfuerzos de contacto moderados y
ambiente extremo)
-Metales blandos.- Au, Ag, Pb e In.
-Sólidos laminares.- Fundamentalmente MoS2 y ocasionalmente NbSe2 y WS2.
-Polímeros.- PTFE y poliimidas.
•No provoca vapores contaminantes, no requiere sistema de confinamiento, no migra, coeficiente
de fricción independiente de la velocidad, variaciones de par (ruido) altas, mala conductividad
térmica
Líquidos o grasas.- (elevados ciclos de funcionamiento, esfuerzos de contacto altos y ambiente
benigno)
-Aceites minerales (Hidrocarburos).- Vackote y Apiezon (Ball Brothers, USA),
Teresso (Humble, USA) y Coray 55 (Exxon, USA).
-PAD (polialfaolefinas).- Nye 174.
-Esteres sintéticos (Polyol –POE- y Neopentyl –NPE-) BP 135 y PDP-65.
-Ciclopentanos.-Nye 2001 (Pennzoil, USA).
-PFPE.- Flombin Z25 , ZNF (Montedison) y Brayco 815Z (Castrol, USA).
• Requiere juntas de sellado para evitar arrastres y pérdidas de fluido (diseños más complicados),
fricción dependiente de la velocidad, eléctricamente aislantes, muy larga vida de servicio, muy
bajas variaciones de par y buena conductividad térmica.
MARZO 2011
XIII
III
XII JORNADA
JOR
DA DE
E MATERIALES
ATE I LE DE
D LA UNIVESIDAD
V SI A CARLOS
A
I DE MADRID
D
MATERIALES: Estructuras, mecanismos y
reflectores
Gomas y elastómeros
Polímeros con elongaciones mayores del 100%, (la mayoría
reforzadas con tejidos como vidrio, nylon, o poliéster)
-Elastómeros flourocarbonados .- Su principal
característica es la excepcional resistencia a aceites
hidráulicos, lubricantes, disolventes y agentes
químicos
-Gomas de hidrocarburos .- De tipo butil
(formuladas con bajo outgassing) y las de etilenopropileno (EP y EPDM)
-Gomas de silicona .- Amplio rango de
temperatura de utilización. Necesitan postcurado
para reducir el outgassing.
•Juntas planas o tóricas para sellado de sistemas con aceite
lubricante e hidráulico, tubos o amortiguadores.
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XIII
III
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