2023 Jun Minggu ke-3 Cadangan Berita WBM- Galas SMB: Galas di Angkasa

"Angkasa lepas adalah perniagaan yang berisiko," pernah berkata Aaron Cohen, Pemangku Timbalan Pentadbir NASA. "Saya sentiasa menganggap setiap pelancaran sebagai letupan yang hampir tidak dikawal." Dengan beberapa projek ruang angkasa baharu dijangka dalam masa terdekat, risiko ini mesti dielakkan pada semua kos. Ini memberi tanggungjawab yang lebih besar kepada jurutera untuk mencipta komponen berprestasi tinggi yang boleh menahan pelancaran ulang-alik yang ganas dan ruang hampa udara yang tidak mesra. Di sini, Chris Johnson, pengarah urusan di pembekal galas pakar SMB Bearings, menerangkan peranan penting galas lanjutan dalam perjalanan manusia melangkaui bintang.

Pertubuhan Bangsa-Bangsa Bersatu (PBB) telah mengenal pasti perkhidmatan dan teknologi berasaskan angkasa sebagai kunci kepada 17 Matlamat Pembangunan Mampan untuk 2030. Teknologi angkasa, kata laman webnya, akan menjadi "kunci dalam memahami perubahan iklim dan semasa kitaran pengurusan bencana penuh; hanya dua contoh antara aplikasi yang tidak terkira banyaknya yang boleh disumbangkan oleh ruang." Majalah Forbes meramalkan beberapa perkembangan teknologi angkasa pada tahun-tahun akan datang. Ia termasuk projek berorientasikan hijau, seperti kamera inframerah pada satelit untuk memantau pelepasan haba yang dihasilkan oleh rumah dan perniagaan, dan peta imejan satelit yang akan mengukur penebangan hutan berhubung dengan penggunaan karbon.

Perjalanan muatan yang lebih kecil ke Bulan juga dirancang, tambah Forbes, dan pelancaran lebih banyak satelit. Projek-projek ini akan memberi lebih banyak tekanan kepada pengilang peralatan untuk mendapatkan dan menggunakan komponen mesin kritikal misi yang boleh bertahan dalam vakum ruang. Komponen penting seperti penderia, sel suria, kanta dan semikonduktor akan mengalami turun naik suhu yang melampau disebabkan oleh sinaran matahari yang tidak ditapis, menyebabkan kegagalan dan kerosakan bernilai berjuta-juta dolar, dalam beberapa kes.

Cabaran ini juga terpakai pada galas. Masalah utama ialah persekitaran vakum ultrabersih, terutamanya yang dicirikan oleh suhu tinggi atau rendah atau unsur menghakis tinggi, boleh menjejaskan hayat galas sebanyak 90 peratus yang menakjubkan. Di satu pihak, pembina mesin telah meningkatkan keperluan prestasi untuk galas yang digunakan dalam aplikasi berasaskan Bumi seperti pemprosesan makanan dan fabrikasi keluli, khususnya untuk meningkatkan prestasinya dalam persekitaran yang sangat menghakis dan terhadap pendedahan kepada kelembapan dan bahan kimia. Tetapi bagaimana galas dapat menahan kekosongan ruang, dan meningkatkan permintaan untuk kegunaannya dalam aplikasi angkasa?

Lebih panjang umur
Keadaan angkasa yang keras termasuk faktor yang menuntut seperti vakum mutlak, suhu turun naik, dan juga komponen roket kuasa-G yang melampau dan ganas tertakluk kepada semasa lepas landas. Untuk menahan keadaan ini, galas harus diluluskan ruang - tetapi apakah maksudnya, betul-betul?

Sebagai permulaan, bearing untuk kegunaan di angkasa hendaklah memenuhi standard AS9102 Aerospace First Article Inspection yang merangkumi proses untuk bahagian pembuatan, daripada komponen elektrik yang kecil kepada pemasangan struktur yang besar, yang digunakan dalam penerbangan, angkasa dan pertahanan. Ini adalah sebahagian daripada siri peraturan AS9100, iaitu sistem pengurusan kualiti ISO 9001 yang setara untuk aeroangkasa. Piawaian ini meletakkan permintaan kejuruteraan pada galas itu sendiri.

Ambil sangkar bola, sebagai contoh — juga dipanggil penahan, yang memisahkan bola galas daripada komponen bergolek pusat. Sangkar boleh dibuat daripada keluli tahan karat austenit AISI 304 kerana rintangan kakisan yang sangat baik dan prestasi yang baik pada suhu tinggi. Menyalut galas keluli tahan karat dalam Polytetrafluoroethylene (PTFE), salah satu bahan plastik yang terkenal di dunia yang paling serba boleh juga bermanfaat. PTFE semakin digunakan di luar kapal angkasa dan telah mempamerkan sifat tegangan, pemanjangan, lentur dan kesan yang sehingga sepuluh kali ganda lebih baik dalam persekitaran vakum berbanding plastik berasaskan fluorin yang lebih biasa digunakan, seperti Tefzel (ETFE).

Jangka hayat galas juga harus dipertimbangkan - terutamanya jika ia akan digunakan dalam elemen bergolek di atas kapal angkasa yang mesti kekal beroperasi jauh dari Bumi selama bertahun-tahun, dekad, atau selama-lamanya. Pelinciran adalah penting di sini, dan minyak bergas keluar rendah dan tekanan wap rendah telah dibangunkan terutamanya untuk aplikasi ruang. Pelincir cecair hidrokarbon atau Perfluoropolyether (PFPE) tersintesis telah digunakan dalam industri aeroangkasa selama lebih daripada 30 tahun.

Persekitaran yang agresif
Mari kita lihat bahan lain: seramik, yang biasa digunakan dalam sistem perlindungan haba atau perisai haba di angkasa. Seramik ditunjukkan dengan berkesan menahan perubahan suhu yang melampau — seperti apabila kapal angkasa memasuki mana-mana jenis atmosfera pada kelajuan tinggi, sama ada Bumi atau Marikh. Seramik mempunyai kestabilan suhu rendah dan tinggi yang sangat baik yang bermaksud ia boleh digunakan dalam ruang dalam dan kriogenik serta aplikasi relau.

Ini membawa kita kepada galas seramik, yang sering dibayangi oleh rakan galas keluli mereka kerana kebaikan dan keburukan mereka. Pertama, keburukan: kebulatan cincin beruang seramik tidak sebaik yang terdapat dalam galas keluli berketepatan tinggi. Walaupun galas seramik lebih keras daripada keluli, bahannya juga lebih rapuh. Atas sebab ini, galas seramik penuh tidak digunakan dalam aplikasi berkelajuan tinggi seperti alat mesin atau turbin. Galas hibrid berketepatan tinggi lebih disukai untuk aplikasi ini. Galas seramik juga lebih mahal.

Walau bagaimanapun, galas seramik digunakan dalam persekitaran yang agresif di mana bahan lain tidak sesuai. Ia paling biasa digunakan dalam aplikasi di mana rintangan kakisan yang sangat baik diperlukan, bersama-sama dengan pendedahan kepada suhu yang sangat rendah atau tinggi. Dalam erti kata lain, makhluk seramik sesuai untuk digunakan di angkasa.

Bahan yang paling biasa digunakan dalam galas seramik SMB Bearings ialah zirkonia (ZrO2) dan silikon nitrida (Si3N4). Kedua-duanya mempunyai rintangan kakisan yang sangat baik, Bahan ini mempunyai pekali geseran yang rendah, yang membawa kita kepada kelebihan utama galas seramik penuh: ia boleh berjalan secara berterusan pada kelajuan tanpa pelinciran, itulah sebabnya Si3N4 sering digunakan dalam persekitaran vakum.

Galas ZrO2 boleh digunakan sehingga 400 darjah Celsius dan galas Si3N4 sehingga 800 darjah Celsius. Selain itu, untuk suhu ini, SMB Bearings mengesyorkan galas harus lengkap. Ini bermakna galas tidak mempunyai penahan bola dan sebaliknya, ruang kosong membenarkan bola tambahan dipasang. Peningkatan dalam pelengkap bola ini membolehkan peningkatan ketara dalam kapasiti galas jejari walaupun kelajuan maksimum dikurangkan dengan banyak. Turun kepada kira-kira tolak 200 darjah Celsius, seramik juga mempunyai prestasi suhu rendah yang sangat baik dengan syarat sangkar yang sesuai digunakan.

Dengan sifatnya yang ringan dan serasi vakum, galas silikon nitrida akan sangat bergantung kepada aplikasi penerokaan angkasa lepas. Ia akan memberi manfaat terutamanya kepada satelit dan kapal angkasa, yang memerlukan kapasiti berat optimum untuk melakukan dinamik dan pecutan penerbangan yang dipertingkatkan. Galas pakar ini, bersama-sama dengan rakan sejawatan keluli tahan karat mereka, akan menjadi penting untuk memastikan bahawa lompatan gergasi seterusnya bagi umat manusia adalah perniagaan yang jauh daripada berisiko.