"Ambisius" mungkin merupakan karakterisasi yang diremehkan dalam hal tujuan industri luar angkasa untuk mengurangi biaya transportasi ruang angkasa. Contoh kasus, Administrasi Atmosfer dan Antariksa Nasional AS (NASA, Washington, DC) melaporkan bahwa salah satu tujuannya adalah untuk mengurangi biaya menempatkan muatan ke orbit Bumi dari $10.000/lb hari ini menjadi ratusan dolar per pon dalam waktu 25 tahun, dan puluhan dolar per pon dalam waktu 40 tahun. Di seberang Atlantik, tujuannya juga tinggi:Badan Antariksa Eropa (ESA, Paris, Prancis), misalnya, telah menyatakan niatnya untuk Ariane 6 roket untuk menyamai atau mengalahkan biaya muatan per kilogram SpaceX (Hawthorne, CA, US) Falcon 9 , diperkirakan kurang dari $7.500/kg untuk orbit transfer geosinkron (tempat sebagian besar satelit berada) dan kurang dari $3.000/kg untuk orbit rendah Bumi.
Oleh karena itu, tidak mengherankan bahwa pelonggaran struktural roket sedang dikejar oleh banyak organisasi industri luar angkasa, atau bahan komposit dipamerkan dalam upaya semacam itu. Keberhasilan dalam pengejaran ini pada awalnya bergantung pada menemukan cara untuk mencapai tujuan ringan sambil mematuhi standar yang telah ditetapkan untuk komponen logam dasar, termasuk geometri bagian dan sifat termo-mekanis.
Untungnya, kendala seperti itu tidak membuat Ketua Komposit Karbon Universitas Teknik Munich (TUM, Munich, Jerman) melebihi perkiraan awal kemungkinan pengurangan berat 30% dari modul muatan ilmiah roket penelitian. Faktanya, modul polimer yang diperkuat serat karbon (CFRP) pertama, yang dirancang dan dibangun TUM di bawah program Eksperimen Roket untuk Mahasiswa Universitas (REXUS), mencapai pengurangan berat lebih dari 40%, lapor Ralf Engelhardt, rekan peneliti di Ketua dari Komposit Karbon. Pengurangan berat seperti itu menghasilkan banyak opsi penghematan biaya untuk misi:muatan yang lebih berat, puncak yang lebih tinggi, atau konsumsi bahan bakar yang berkurang.
Modul roket TUM terdiri dari satu bagian dari roket penelitian REXUS, yang didanai oleh Pusat Dirgantara Jerman (DLR, Cologne, Jerman), Badan Antariksa Nasional Swedia (SNSA, Stockholm, Swedia) dan ESA, dan mendanai proyek universitas di seluruh Eropa . Roket penelitian REXUS diluncurkan dua kali setahun untuk memungkinkan eksperimen universitas selama penerbangan sub-orbital. Mereka terbang hingga ketinggian maksimum 80-100 km, dengan kecepatan vertikal maksimum sekitar 1.200 m/s dan akselerasi maksimum sekitar 20G. Struktur dasar modul muatan ilmiah adalah aluminium, dengan diameter luar 356 mm dan panjang 300 mm. Modul TUM CFRP dirancang untuk REXUS Mission 23, dengan tanggal peluncuran yang diharapkan saat ini adalah awal 2019.
Sementara program REXUS biasanya mendukung proyek sains universitas yang dilakukan di dalam modul muatan ilmiah, proyek TUM unik karena subjek eksperimennya adalah modul gabungan sendiri — desain, manufaktur, kinerja, dan kualifikasinya untuk penerbangan. “Tujuan utama kami adalah mengganti aluminium dengan CFRP, yang bukan merupakan misi biasa,” Engelhardt menekankan.
Modul ini terdiri dari cangkang CFRP silinder – berdiameter 356 mm dan panjang 300 mm, seperti aluminium asli – dan dua cincin input beban radial-aksial (radax) komposit termoplastik, satu jantan dan satu betina, yang menyediakan sambungan baut ke modul yang berdekatan . Desain CFRP dibuat untuk memenuhi persyaratan properti geometris dan termo-mekanis tertentu, yang diperlukan karena modul harus bekerja sesuai dengan standar yang konsisten dengan bagian roket lainnya. Karena itu, geometri modul telah ditentukan sebelumnya, termasuk persyaratan untuk mencocokkan ketebalan dinding versi aluminium. Modul juga harus mencapai kekakuan yang sama dengan versi aluminium. Fitur modul yang paling tidak fleksibel adalah geometri dan sifat mekanik dari cincin input beban modul, yang harus mempertahankan posisi dan integritas relatif terhadap modul yang dipasang.
Modul TUM terbuat dari bahan serat karbon/polieterketon (PEEK), dipilih karena kinerja mekanis dan termalnya yang tinggi, serta kekuatan dan kekakuan spesifiknya yang lebih tinggi dibandingkan dengan aluminium. Pada perakitan akhir, lapisan gabus direkatkan ke cangkang untuk memberikan insulasi termal. Selain pengurangan bobot yang diharapkan sebesar 30%, TUM juga mengejar pendekatan manufaktur yang efisien. Desain awal mencakup konsep manufaktur di mana cincin radax dibentuk dari butiran termoplastik serat panjang (LFT), dibongkar dan disiapkan untuk integrasi; kemudian modul lengkap disusun menggunakan penempatan serat otomatis termoplastik dengan konsolidasi in-situ (TP-AFP).
Tentu saja, dengan modul itu sendiri yang berfungsi sebagai “eksperimen” utama, TUM memiliki kesempatan untuk memuat peralatan yang diperlukan untuk eksperimen sekunder di dalam modul. Tim memilih untuk mengukur suhu internal struktur komposit menggunakan sensor serat optik tertanam (FOS). Engelhardt menjelaskan bahwa FOS dipilih daripada termokopel karena diameternya yang tipis dan bentuknya yang berserat menghasilkan pengurangan minimal kinerja mekanis cangkang CFRP, dan karena sinyal optik tidak rentan terhadap gangguan dalam medan elektromagnetik yang ditemui roket. Empat FOS — khususnya, sensor kapsul Bragg grating (FBG) — tertanam selama pembuatan TP-AFP pada posisi dan kedalaman yang berbeda di dalam laminasi, dan kemudian dihubungkan ke sistem pengukuran di dalam modul yang mengoperasikan sensor. Sistem pengukuran mengumpulkan dan mengelola data, serta menyediakan tautan ke bawah ke stasiun bumi.
Untuk pembuatan modul, tim TUM terlebih dahulu membentuk ring. Victrex plc (Lancashire, UK) PEEK 450CA30 Butiran LFT (mengandung serat karbon dengan panjang 2-3 mm) dicetak dengan cetakan menjadi cetakan berbentuk cincin. Pers dipanaskan hingga 390˚C, dipadatkan pada tingkat gaya yang meningkat (50-200 kN), kemudian didinginkan dan dihancurkan pada 100˚C.
Cangkang terbuat dari Teijin (Tokyo, Jepang) Tenax serat karbon searah/pita prepreg MENGINTIP pada peralatan TP-AFP dari AFPT GmbH (Doerth, Jerman). Proses TP-AFP memungkinkan konsolidasi in-situ dari pita termoplastik pada suhu kamar ke cincin input beban CFRP. Tidak diperlukan konsolidasi autoklaf, dan konsolidasi ke cincin yang diproduksi sebelumnya menghilangkan kebutuhan akan pengencang atau perekat mekanis tambahan. Engelhardt senang dengan hasil dari proses dua langkah ini. "Ini adalah kombinasi baru," katanya. “Melakukan konsolidasi in-situ dengan pita termoplastik selalu menjadi tantangan, tetapi di sini, kami berhasil menempatkan pita perekat pada cincin monolitik yang tebal.”
Engelhardt juga senang dengan integrasi FOS, yang merupakan tantangan teknis baru. TUM memiliki pengalaman menggunakan FOS dalam resin yang rapi, tetapi tidak dalam laminasi komposit, dan tidak menggunakan proses AFP termoplastik. Tim memenuhi tantangan ini dan mencapai kinerja kualifikasi penerbangan.
Akhirnya modul ini menggabungkan sekat terpisah, yang berfungsi sebagai pelat pemasangan untuk perangkat pengukuran. Sekat dibuat dengan thermoform menjadi bentuk kubahnya dari organosheet datar yang terdiri dari serat karbon/bahan MENGINTIP yang sama dengan silinder modul.
Untuk mencapai kualifikasi penerbangan, TUM memajukan proyek ini melalui proses pengujian, simulasi dan evaluasi yang lengkap. Pertama, bahan dikarakterisasi pada tingkat kupon pada suhu kamar dan pada suhu layanan maksimum 135˚C. Pengujian subkomponen membantu memastikan kinerja geser interlaminar yang dapat diterima dari antarmuka antara cincin dan cangkang, serta kekuatan tarik yang memadai dari pengencang yang digunakan untuk menghubungkan modul roket. Data dari pengujian awal memberikan masukan untuk simulasi dan desain.
Analisis struktural elemen hingga membantu tim mengoptimalkan tata letak laminasi. Hasil untuk silinder adalah susunan simetris 34-lapisan (0˚/±15˚/±45˚/90˚). Setelah pembuatan modul, TUM melakukan pengujian skala penuh. Untuk memenuhi beban kualifikasi penerbangan, modul menjalani pengujian getaran dari 0-300 Hz pada tingkat frekuensi 0,083 g 2 /Hz. Itu juga menjalani tes lentur, yang menunjukkan kinerja yang sukses di bawah beban kualifikasi 14 kNm.
Misi REXUS 23 awalnya dijadwalkan untuk Maret 2018, tetapi ditunda karena kesulitan selama misi REXUS sebelumnya. Peluncurannya sekarang dijadwalkan akhir Februari atau awal Maret 2019 dari Kiruna, Swedia. Tim TUM memanfaatkan waktu tambahan dengan membangun modul kedua dan menguji/mengkualifikasinya pada musim gugur yang lalu. Di unit baru ini, alih-alih membentuk cincin input beban dengan menekan, tim memiliki cincin yang dicor secara sentrifugal oleh Elekem Ltd. (Lancashire, Inggris). Bahan bakunya sama, kata Engelhardt, dan modul asli dengan cincin yang dibentuk dengan mesin press memenuhi semua kualifikasi penerbangan. Tetapi modul baru meningkatkan kinerja dering dari tingkat yang dapat diterima mendekati tingkat yang ideal. “Proses pembentukan pers masih memerlukan beberapa pengoptimalan,” kata Engelhardt, “tetapi ini sangat menjanjikan.”
Tujuan masa depan, Engelhardt melaporkan, dan alasan TUM akan kembali ke pembentukan pers di masa depan, adalah untuk membuat cincin dari bahan bekas dari proses AFP. “Kami akan mengambil potongan dan bahan yang tersisa pada gulungan, merobeknya, kemudian menggunakan potongan-potongan kecil itu untuk membentuk cincin,” jelasnya. Dengan keterbatasan data dan pengalaman terkait proses daur ulang ini, TUM tidak dapat mengimplementasikannya dalam batasan waktu dan anggaran dari pekerjaan Misi 23. Harapannya adalah membuat dan memenuhi syarat cincin yang terbuat dari bahan daur ulang untuk penerbangan luar angkasa dalam waktu dekat.
Setelah misi selesai, TUM akan menggunakan data FOS untuk mengembangkan gambaran yang lebih rinci tentang beban termal pada modul selama penerbangan. Pengetahuan tersebut dapat menyebabkan modifikasi pilihan material serta desain modul dan dimensi. “Simulasi termal dilakukan berdasarkan pengukuran sebelumnya, tetapi kami akan segera memiliki data aktual,” kata Engelhardt. “Kami mungkin menemukan bahwa kami tidak harus memiliki suhu transisi gelas PEEK (Tg ) sebesar 143˚C,” ia mengilustrasikan. “Tg . yang lebih rendah berarti kita mungkin bisa menggunakan polimer yang lebih murah.”
Baik polimer yang lebih murah dan penggunaan bahan daur ulang akan berkontribusi pada tujuan keseluruhan industri ruang angkasa untuk mengurangi biaya transportasi ruang angkasa dengan urutan besarnya. Tetapi kontribusi terbesar dari upaya REXUS TUM tidak diragukan lagi adalah pengurangan berat 40% yang telah dicapai.
Pembuluh darah
Di masa lalu, seorang insinyur akan membuat bagian atau produk dengan mengembangkan gambar di CAD. Gambar tersebut akan merupakan hasil dari pengalaman, imajinasi (kreativitas) insinyur itu, dan data historis (bagaimana bagian-bagian serupa pernah dibuat sebelumnya). Desain generatif adalah optimasi
Desain Roll Pass Produk panjang biasanya digulung dalam beberapa lintasan, yang jumlahnya ditentukan oleh rasio bahan baja input awal (billet persegi atau bulat atau mekar) dan penampang akhir produk jadi. Luas penampang berkurang di setiap lintasan dan bentuk serta ukuran material baja yang dig
Teknologi catu daya switching telah menyaksikan perkembangan menuju miniatur, frekuensi tinggi dan efisiensi tinggi dengan pengembangan chip yang sangat terintegrasi dalam beberapa tahun terakhir. Chip kontrol yang sangat terintegrasi membuat komponen periferal yang diperlukan menjadi disederhanakan
Desain holistik adalah pendekatan desain yang menganggap sistem yang dirancang sebagai satu kesatuan yang saling berhubungan yang juga merupakan bagian dari sesuatu yang lebih besar. Konsep holistik dapat diterapkan pada arsitektur serta desain perangkat mekanis, tata letak ruang, dan sebagainya. Pe
