Las estructuras compuestas de alta deformación (estructuras HSC) son una clase de estructuras de material compuesto diseñadas para funcionar en un entorno de alta deformación . Las estructuras compuestas de alta deformación pasan de una forma a otra tras la aplicación de fuerzas externas. Un solo componente de estructura de HSC está diseñado para hacer la transición entre al menos dos, pero a menudo más, formas dramáticamente diferentes. Al menos una de las formas está diseñada para funcionar como una estructura que puede soportar cargas externas .
Las estructuras compuestas de alta deformación generalmente consisten en polímeros reforzados con fibra (FRP), que están diseñados para soportar niveles de deformación del material relativamente altos en el transcurso de condiciones normales de operación en comparación con la mayoría de las aplicaciones estructurales de FRP. Los materiales FRP son anisotrópicos y altamente adaptables, lo que permite efectos únicos sobre la deformación. Como resultado, muchas estructuras HSC están configuradas para poseer uno o más estados estables (formas en las que la estructura permanecerá sin restricciones externas) que están sintonizados para una aplicación particular. Las estructuras HSC con múltiples estados estables también se pueden clasificar como estructuras biestables .
Las estructuras HSC se utilizan con mayor frecuencia en aplicaciones donde se desean estructuras de bajo peso que también se pueden guardar en un volumen pequeño. Las estructuras compuestas flexibles se utilizan dentro de la industria aeroespacial para mecanismos desplegables como antenas o paneles solares en naves espaciales. Otras aplicaciones se centran en materiales o estructuras en las que se requieren múltiples configuraciones estables.
Historia
Los metales comúnmente utilizados en resortes (por ejemplo, acero de alta resistencia, aleaciones de aluminio y cobre-berilio ) se han utilizado en estructuras aeroespaciales deformables durante varias décadas con considerable éxito. [1] Siguen utilizándose en la mayoría de las aplicaciones de estructuras desplegables de alta tensión y sobresalen donde se requieren las mayores relaciones de compactación y conductividad eléctrica . Pero los metales sufren de altas densidades, altos coeficientes de expansión térmica y menores capacidades de deformación en comparación con los materiales compuestos. En las últimas décadas, la creciente necesidad de estructuras desplegables de alto rendimiento, junto con la aparición de una robusta industria de materiales compuestos , ha aumentado la demanda y la utilidad de las estructuras de materiales compuestos de alta deformación. Hoy en día, los HSC se utilizan en una variedad de aplicaciones aeroespaciales de nicho, principalmente en áreas donde se requiere una precisión extrema y poca masa.
A principios de 2014, el Comité Técnico de Estructuras de Naves Espaciales del Instituto Estadounidense de Aeronáutica y Astronáutica reconoció que el nivel de investigación y desarrollo activos en compuestos de alta deformación justificaba un grupo de enfoque independiente [2] para distinguir los compuestos de alta deformación como un área técnica con desafíos y tecnologías identificables de manera única , mecánica, métodos de prueba y aplicaciones. El Subcomité Técnico de High Strains Composite se formó para proporcionar un foro y un marco para respaldar los desafíos y éxitos técnicos de HSC, y promoverá avances continuos en el campo.
Herencia de los vuelos espaciales
El uso de estructuras desplegables de alta tensión se remonta a los días pioneros de la exploración espacial y ha desempeñado un papel crucial en la habilitación de una industria espacial robusta.
Hitos en estructuras deformables basadas en el espacio
Estructura Nombre común | Material | Historia de desarrollo | Historial de vuelo | Referencias |
---|---|---|---|---|
Bisagra de resorte de cinta | Hoja de acero para muelles | [3] [4] | ||
Mástil extensible tubular almacenable (STEM) | Lámina de metal | Desarrollado por de Havilland Canada y Spar Aerospace Ltd. | 1961-AH2 Transit Research and Attitude Control (TRAAC), lanzado 1961. Alouette 1, lanzado en 1962 | [5] [6] [7] |
Antena envolvente de nervadura, nervaduras en forma de C | Hoja de aluminio | Desarrollado por Lockheed Missiles & Space Company a partir de 1962 | ATS-6, lanzado en 1974. | [8] [9] |
Tubo lenticular | Hoja de acero inoxidable | Desarrollado por el Centro de Investigación Lewis de la NASA en 1965 | [10] | |
Mástil continuo más largo | Varillas de fibra de vidrio S2 | Desarrollado por Astro Aerospace. | USAF S-3 Magnetometer Boom lanzado en 1974. | [11] |
Tubo lenticular de celosía | Alambre de música de acero | Desarrollado por Astro Research Corporation en 1969. | [12] | |
Envoltura de la antena de costilla, costillas lenticulares | Laminado de polímero reforzado con fibra de vidrio (Fiberite HMS / 33) | Desarrollado por Lockheed Missiles & Space Company en la década de 1970; demostración en tierra 1982. | [13] | |
Reflector parabólico de antena trasera con resorte | Laminado de polímero reforzado con fibra de vidrio | Mobile Sat-1, lanzado en 1996 | [14] [15] | |
Tubos aplanables plegables | laminado de fibra de vidrio y kevlar | Desarrollado por TRW Astro Aerospace para antenas MARSIS, lanzado en 2003 | Antenas Mars Express MARSIS, lanzadas en 2003 | [16] [17] |
Bienes de consumo
Investigación y desarrollo actual
Clasificación de materiales
Polímero rígido
Polímero rígido
Polímero elastomérico
Desafíos técnicos
Arrastrarse
Pandeo de capa delgada
Métodos de simulación
Ver también
Referencias
- ^ http://www.northropgrumman.com/BusinessVentures/AstroAerospace/Products/Documents/pageDocs/STEM_Hardware_Programs.pdf
- ^ https://info.aiaa.org/tac/adsg/SCSTC/Wiki/Home.aspx
- ^ Vyvyan, WW, "Bisagra autoactivada y autobloqueante", 3386128, 1968.
- ^ Chiappetta, FR, Frame, CL y Johnson, KL, "Elemento de bisagra y estructuras desplegables, incluido el elemento de bisagra", US5239793 A, 1993.
- ^ Herzl, GG, Walker, WW y Ferrera, JD, Booms de naves espaciales tubulares (extensibles, carrete almacenado), NASA SP-8065, 1971.
- ^ “George J. Klein 1904-1992” Disponible: http://www.sciencetech.technomuses.ca/english/about/hallfame/u_i19_e.cfm Archivado el 27 de diciembre de 2010 en Wayback Machine .
- ^ Departamento, S., satélites terrestres artificiales diseñados y fabricados por el laboratorio de física aplicada de la Universidad Johns Hopkins, 1978.
- ^ Miller, JV, "Antena con reflector de malla de alambre.pdf", 3.217.328, 1965.
- ^ Chadwick, GG y Woods, AA, "Sistemas de antenas desplegables de gran espacio", Seminario de tecnología de sistemas de gran espacio, Publicación de la conferencia de la NASA 2035, Hampton, VA: 1978, págs. 243–288.
- ^ Gertsma, LW, Dunn, JH y Erwin E. Kempke, J., Evaluación de un tipo de tubo plegable, 1965.
- ^ Mauch, HR, "Columna de celosía desplegable", 3.486.279, 1969.
- ^ Crawford, RF, Investigación de una columna lativa enrollable, 1969.
- ^ Woods, AA y García, NF, "Descripción general del desarrollo del concepto de antena Wrap-Rib", Tecnología de sistemas de antenas de gran espacio, 1982, págs. 423–468.
- ^ Robinson, SA, "Reflector de antena de nave espacial simplificada para estiba en sobres confinados", 5.574.472, 1996.
- ^ Rao, S., Shafai, L. y Sharma, SK, Manual de antenas reflectoras y sistemas de alimentación Volumen III: Aplicaciones de reflectores, Artech House, 2013.
- ^ Marks, GW, Reilly, MT y Huff, RL, "La antena desplegable ligera para el experimento MARSIS en la nave espacial Mars Express", 36º Simposio de mecanismos aeroespaciales, Centro de investigación de Glenn, Centro de investigación de Glenn: 2002.
- ^ Adams, DS y Mobrem, M., "Anomalía de despliegue y resolución de antenas articuladas lenticulares a bordo de la nave espacial Mars Express", Revista de naves espaciales y cohetes, vol. 46, marzo de 2009, págs. 403–410.
Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica, Estructuras del Comité Técnico , de mucha tensión Estructuras Compuestas Subcomité