2023 m. birželio 3 d. WBM naujienų savaitė – SMB guoliai: guoliai erdvėje

„Kosmosas yra rizikingas verslas“, – kartą sakė laikinai einantis NASA administratoriaus pavaduotojo pareigas Aaronas Cohenas. „Kiekvieną paleidimą visada laikiau vos kontroliuojamu sprogimu. Artimiausiu metu numatomi keli nauji kosmoso projektai, todėl šios rizikos reikia vengti bet kokia kaina. Dėl to inžinieriams tenka didesnė pareiga sukurti našius komponentus, galinčius atlaikyti smarkius šaudyklų paleidimus ir nesvetingą erdvės vakuumą. Čia Chrisas Johnsonas, specializuoto guolių tiekėjo SMB Bearings generalinis direktorius, paaiškina gyvybiškai svarbų pažangių guolių vaidmenį žmogaus kelionėse už žvaigždžių.

Jungtinės Tautos (JT) nustatė, kad kosmoso paslaugos ir technologijos yra svarbiausios jos 17 tvaraus vystymosi tikslų iki 2030 m. Kosminės technologijos, kaip teigiama jos svetainėje, bus „svarbiausia norint suprasti klimato kaitą ir viso nelaimių valdymo ciklo metu. du pavyzdžiai tarp daugybės programų, prie kurių gali prisidėti erdvė." Žurnalas „Forbes“ prognozuoja keletą kosminių technologijų pokyčių ateinančiais metais. Tai apima ekologiškus projektus, pvz., infraraudonųjų spindulių kameras palydovuose, skirtus namų ir įmonių šilumos emisijai stebėti, ir palydovinių vaizdų žemėlapius, kurie įvertins miškų naikinimą atsižvelgiant į anglies suvartojimą.

Taip pat planuojamos mažesnės naudingos apkrovos kelionės į Mėnulį, priduria „Forbes“ ir daugiau palydovų. Šie projektai darys didesnį spaudimą įrangos gamintojams, kad jie gautų ir naudotų itin svarbius mašinos komponentus, kurie gali išgyventi erdvės vakuume. Gyvybiškai svarbūs komponentai, tokie kaip jutikliai, saulės elementai, lęšiai ir puslaidininkiai, dėl nefiltruotos saulės spinduliuotės bus veikiami ekstremalių temperatūros svyravimų, dėl kurių kai kuriais atvejais bus gedimų ir milijonų dolerių vertės žalos.

Šie iššūkiai taip pat taikomi guoliams. Didelė problema yra ta, kad itin švari vakuuminė aplinka, ypač pasižyminti aukšta arba žema temperatūra arba labai koroziniais elementais, gali paveikti guolių tarnavimo laiką stulbinančiai 90 procentų. Viena vertus, mašinų kūrėjai kelia našumo reikalavimus guoliams, naudojamiems ant žemės, pavyzdžiui, maisto perdirbime ir plieno gamyboje, ypač siekdami pagerinti jų veikimą labai korozinėje aplinkoje ir nuo drėgmės bei cheminių medžiagų poveikio. Tačiau kaip guoliai gali atlaikyti erdvės vakuumą ir didėjančią jų naudojimo kosmose paklausą?

Ilgesnis gyvenimas
Atšiaurios kosmoso sąlygos apima tokius sudėtingus veiksnius kaip absoliutus vakuumas, svyruojančios temperatūros, taip pat ekstremalios ir smarkios G jėgų raketos komponentai kylant. Kad atlaikytų šias sąlygas, guoliai turėtų būti patvirtinti erdvėje – bet ką tai tiksliai reiškia?

Pirmiausia, guoliai, skirti naudoti kosmose, idealiai turėtų atitikti AS9102 Aerospace First Product Inspection standartą, kuris apima dalių gamybos procesus, nuo mažų elektrinių komponentų iki didelių konstrukcinių mazgų, naudojamų aviacijoje, erdvėje ir gynyboje. Tai yra AS9100 taisyklių serijos dalis, kuri yra ISO 9001 kokybės vadybos sistemos atitikmuo aviacijai. Šie standartai kelia inžinerinius reikalavimus pačiam guoliui.

Paimkite, pavyzdžiui, rutulinį narvą – dar vadinamą laikikliu, kuris atskiria guolio rutulius nuo centrinio riedėjimo komponento. Narvas gali būti pagamintas iš AISI 304 austenitinio nerūdijančio plieno dėl puikaus atsparumo korozijai ir gero veikimo aukštoje temperatūroje. Taip pat naudinga nerūdijančio plieno guolius padengti politetrafluoretilenu (PTFE), viena universaliausių pasaulyje žinomų plastikinių medžiagų. PTFE vis dažniau naudojamas ne erdvėlaiviuose ir pasižymi tempimo, pailgėjimo, lankstumo ir smūgio savybėmis, kurios vakuuminėje aplinkoje yra iki dešimties kartų geresnės nei dažniausiai naudojami fluoro pagrindu pagaminti plastikai, tokie kaip Tefzel (ETFE).

Taip pat reikėtų atsižvelgti į guolių tarnavimo laiką – ypač jei jie bus naudojami riedėjimo elementuose erdvėlaiviuose, kurie turi veikti toli nuo Žemės metų, dešimtmečių ar neribotą laiką. Tepimas čia yra gyvybiškai svarbus, o alyvos, išskiriančios mažai dujų ir mažo garų slėgio, buvo sukurtos specialiai naudoti kosmose. Sintetiniai angliavandeniliai arba perfluorpolieterio (PFPE) skysti tepalai aviacijos ir kosmoso pramonėje naudojami daugiau nei 30 metų.

Agresyvi aplinka
Pažvelkime į kitas medžiagas: keramiką, kuri dažniausiai naudojama šiluminės apsaugos sistemose arba šilumos skyduose erdvėje. Įrodyta, kad keramika efektyviai atlaiko ekstremalius temperatūros pokyčius, pvz., kai erdvėlaivis dideliu greičiu patenka į bet kokio tipo atmosferą, nesvarbu, ar tai būtų Žemė ar Marsas. Keramika pasižymi puikiu stabilumu žemoje ir aukštoje temperatūroje, o tai reiškia, kad ją galima naudoti gilioje erdvėje ir kriogeninėje, taip pat krosnyje.

Tai priveda prie keraminių guolių, kuriuos dėl privalumų ir trūkumų dažnai nustelbia plieniniai guoliai. Pirma, minusai: keraminių guolių žiedų apvalumas nėra toks geras kaip didelio tikslumo plieninių guolių. Nors keraminiai guoliai yra kietesni už plieną, medžiaga taip pat yra trapesnė. Dėl šios priežasties keraminiai guoliai nenaudojami labai didelės spartos įrenginiuose, pavyzdžiui, staklėse ar turbinose. Šioms reikmėms pirmenybė teikiama itin tiksliems hibridiniams guoliams. Keraminiai guoliai taip pat yra brangesni.

Nepaisant to, keraminiai guoliai naudojami agresyvioje aplinkoje, kur kitos medžiagos netinka. Jie dažniausiai naudojami ten, kur reikalingas puikus atsparumas korozijai ir ypač žema arba aukšta temperatūra. Kitaip tariant, keraminės būtybės idealiai tinka naudoti kosmose.

Dažniausiai SMB Bearings keraminiuose guoliuose naudojamos medžiagos yra cirkonis (ZrO2) ir silicio nitridas (Si3N4). Abi turi puikų atsparumą korozijai. Šios medžiagos turi mažą trinties koeficientą, o tai suteikia mums pagrindinį pilno keraminių guolių pranašumą: jie gali nuolat veikti dideliu greičiu be tepimo, todėl Si3N4 dažnai naudojamas vakuuminėje aplinkoje.

ZrO2 guoliai gali būti naudojami iki 400 laipsnių Celsijaus, o Si3N4 - iki 800 laipsnių Celsijaus. Be to, esant tokioms temperatūroms, SMB Bearings rekomenduoja, kad guoliai būtų visiškai papildomi. Tai reiškia, kad guolis neturi rutulinio laikiklio, o vietoj laisvos vietos galima sumontuoti papildomus rutulius. Šis rutulio papildymo padidėjimas leidžia žymiai padidinti radialinę guolio galią, nors didžiausias greitis yra labai sumažintas. Maždaug iki minus 200 laipsnių Celsijaus, keramika taip pat puikiai veikia žemoje temperatūroje, jei naudojamas tinkamas narvas.

Dėl lengvų ir su vakuumu suderinamų savybių silicio nitrido guoliai bus labai patikimi kosmoso tyrinėjimams. Jie ypač naudingi palydovams ir erdvėlaiviams, kuriems reikia optimalaus svorio, kad būtų galima pagerinti skrydžio dinamiką ir pagreitį. Šie specialūs guoliai kartu su nerūdijančio plieno analogais bus gyvybiškai svarbūs užtikrinant, kad kitas milžiniškas žmonijos šuolis būtų toli gražu nerizikingas verslas.