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Hoy: Nov 27, 2014
Home Revistas Revista Nº 8: "Ciencia" Satélites
Satélites
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Satélites
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Se presentan en este trabajo los estudios y desarrollos necesarios que deberán llevarse a cabo, en el área del conocimiento avanzado de los materiales de uso espacial, que permitan cumplir con los objetivos del Plan Espacial Nacional. La idea rectora de este trabajo es que solamente a través del desarrollo de nuevos materiales se podrá alcanzar un nivel de excelencia, tanto en la ingeniería satelital como en el desarrollo de sensores de primer nivel en las áras de ciencias básicas, comunicaciones, teledetección y aspectos relacionados con el cambio global. Fue elaborado para el Plan Nacional Espacial que coordina la CONAE. 

 

SATÉLITES: 

Ciencia de Materiales 

 

Introducción 

Parte importante del éxito de un programa espacial se basa en el conocimiento adecuado de materiales puesto que, por un lado, en aquél se diseña al límite de las propiedades de los mismos debido a las imposiciones dadas por la necesidad de disminuir el peso de las cargas útiles (para darmayores prestaciones o hacer menos costosas las misiones espaciales) y, por otro, la falla de una de las partes produce el fracaso de la misión. Con el aumento de la actividad espacial, la necesidad de desarrollar nuevos materiales capaces de responder a los requerimientos de diseño ha concentrado considerables esfuerzos de investigación y desarrollo, a medida quese alcanzaban condiciones que llegaban a los límites de las propiedades de los materiales existentes.

Los requerimientos satelitales abarcan una innumerable gama de materiales desde los estructurales, en los que es necesario utilizar aquéllos de avanzada como los compuestos (en razón de la importancia del peso de las partes que se envían al espacio), hasta loselectrónicos y los ópticos por la necesidad de disminuir el peso, aumentar la eficiencia y el número de funciones que cumplen los satélites. Para las actividades previstas en los próximos años se debe disponer de un grupo que tenga conocimiento en tecnología de diseño y fabricación de partes que utilicen materiales compuestos y aleaciones estructurales extralivianas (con propiedades mecánicas de avanzada) y de materiales funcionales como los que configuran la electrónica y optoelectrónica utilizada en los sistemas de comunicación, transmisión digital de datos y detección de imágenes.

Sólo consideramos algunos de los principales materiales que se utilizan en aplicaciones satelitales, razón por la cual no se analizan aquéllos que se requieren para la fabricación de vehículos espaciales, como son, por ejemplo, los ablativos o los compuestos de carbón/carbón. 

 

Materiales Estructurales

Aleaciones de Magnesio 

Las aleaciones de Mg se utilizan en los satélites debido a su baja densidad. Es necesario conocer su comportamiento para optimizar sus usos y evitar que durante el almacenamiento de las aleaciones o durante el almacenamiento de las partes (luego de la fabricación), se produzcan efectos corrosivos. 

 

Aleaciones de Aluminio y Aluminio-Litio 

En la industria aeroespacial las aleaciones estructurales de Aluminio de mayor interés son las de las series 2000 y 7000 (las más conocidas son la 2024 y la 7075).

Las aleaciones de Al-Li permiten en general disminuciones de peso mayores al 10% y aumentos de 20% del módulo elástico con respecto a las aleaciones convencionales de Al. Es necesario conocer las técnicas de producción de partes utilizando este tipo de aleaciones y los requisitos de almacenamiento de las partes para evitar problemas de corrosión. Por ejemplo, las aleaciones avanzadas de Al-Li-Cu-Zr y Al-Li-Cu-Mg-Zr pueden lograr disminuciones de peso superiores al 12% y poseer módulo elástico un 15% más elevado. Poseen además resistencias mecánica y a la corrosión y la tenacidad necesaria para aplicaciones aeronáuticas y satelitales. Es necesario para ello estar familiarizado con las técnicas de solidificación rápida y metalurgia de polvos.

Se ha avanzado mucho en el desarrollo de las nuevas aleaciones de Al-Li, particularmente en lo que concierne a disminución de peso y aumento de módulo elástico. Sin embargo, sus aplicaciones no han evolucionado tan rápidamente como se esperaba debido principalmente a limitaciones en su resistencia a la propagación de grietas, tanto estática como en fatiga, a lo que es necesario agregar un costo de fabricación más elevado.

Los procesos de deformación superplástica de aleaciones de Al permiten la fabricación de partes que de otra manera requerirían, por su forma compleja, de varias partes unidas entre sí. El uso de aleaciones que permiten la aplicación de la fabricación superplástica da lugar a considerables reducciones de peso de las partes y, por ende, son de gran importancia en aplicaciones satelitales. 

 

Aleaciones de Titanio 

Las densidades de las aleaciones basadas en titanio, se ubican entre 4.43 gm/cm3 a 4.85 gm/cm3. Las tensiones de fluencia se encuentran entre 172 MPa para el titanio comercial (Grado 1) hasta 1380 MPa para aleaciones beta tratadas térmicamente. La combinación de esas altas resistencias mecánicas con la baja densidad, resultan en relaciones excepcionalmente elevadas para la familia de aleaciones base titanio. Dichas relaciones son superiores a casi todo otro metal. 

 

Desarrollo y utilización de compuestos avanzados

Los materiales compuestos avanzados a matriz polimérica, metálica o cerámica con sus altas prestaciones en términos de rigidez, tensión de rotura, estabilidad dimensional, resistencia a elevadas temperaturas y baja densidad, además de una total flexibilidad para producir piezas de las más variadas características, han sustituido con éxito a los materiales tradicionales en muchas partes de la estructura primaria de los vehículos espaciales.

Los compuestos de más interés son los de Grafito/Epoxy (Gr/E), los de matriz de Al de boro, fibras de óxido de aluminio, cerámicas, fibras de tungsteno, carburo de silicio, fibras de carbono y de acero inoxidable, etc. 

 

Mecánica de compuestos estructurales

El análisis y diseño de partes estructurales de satélites con materiales compuestos, particularmente laminados, son todavía una tarea formidable aún para el más experimentado ingeniero o diseñador. La dificultad está en las complejidades inherentes a la anisotropía del material, la distinta secuencia de apilado de las láminas, la dependencia del comportamiento del material con matriz orgánica de la humedad y el tiempo a distintas temperaturas, el comportamiento elasto-plástico, el "creep" y los distintos modos de falla asociados a transformaciones de fases. Debe prestarse especial atención a todos estos efectos debido a los requerimientos adicionales de estabilidad dimensional que se presentan en aplicaciones satelitales.

El análisis de los modos de rotura de un material compuesto requiere particular atención ya que éstos se encuentran influidos por una gran cantidad de parámetros tales como: la adhesión matriz-refuerzo, la configuración estructural, el método de fabricación, la capacidad de la matriz y de la interfasematriz-refuerzo de transferir cargas entre las fibras, el tipo de cargas (cuasi-estáticas, cicladas), etc. Otro tema de interés es el estudio de la inestabilidad de los paneles ("buckling" "post-buckling").

Existen numerosos estudios que han formulado nuevos modelos para describir el estado de tensiones en un material compuesto. Si bien se puede conocer el estado de tensiones en presencia de discontinuidades tales como: bordes, agujeros, laminaciones, etc., no es todavía posible, en todos los casos, asociar estos estados de tensiones con los mecanismos de rotura. Este es un tema que requiere investigación en el área de la mecánica de los materiales compuestos. 

 

Compuestos "Filament Wound" 

Se considera que en el precio final de un componente de materiales compuestos, la fabricación representa el 70% del total. El estudio de nuevos métodos de fabricación apunta principalmente al desarrollo de procesos con altos volúmenes de producción y bajo costo. Existen procedimientos que encuentran directa aplicación en la industria espacial, tales como: el estampado de termoplásticos, el "resin transfer molding", así como el "filament winding" y la construcción de preformados de fibra seca. Todos estos procesos son actualmente utilizados, pero no todos ellos han alcanzado un nivel de desarrollo tal como para poder ser aplicados en partes de estructuras primarias con altos volúmenes de producción. El método de "filament winding" es sin duda el proceso de fabricación mecanizado que más se ha desarrollado y que más se utiliza en la producción de piezas de materiales compuestos en la industria aeroespacial.

Es importante el manejo de este tipo de tecnología para producir partes tubulares estructurales de materiales compuestos de fibrascontínuas y matrices orgánicas. El uso de esta tecnología, conjuntamente con la de construcción de partes estructurales con el sistema de tubos reforzados, puede disminuir en forma importante el peso de las partes. Una desventaja del método es que sólo es aplicable a la fabricación de superficies de revolución sin curvaturas externas. 

 

Tecnología de uniones adhesivas

Las uniones adhesivas de compuestos con otros materiales y de materiales tradicionales disminuyen el peso en forma significativa. Las uniones adhesivas son utilizadas en forma generalizada en las industrias aeronáutica y espacial. Ellas permiten obtener estructuras de altas performances y resolver muchas situaciones en las cuales las uniones abulonadas o las soldaduras no podrían ser utilizadas. Por ejemplo, en el caso de los materiales compuestos existen configuraciones de laminados, con bajas características ante cargas de aplastamiento, que pueden ser resueltas favorablemente utilizando adhesivos.



 

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