Materiały konstrukcyjne wykorzystywane w przemyśle kosmicznym do budowy podzespołów znajdujących się na zewnątrz statków kosmicznych przeznaczonych do operowania na niskiej orbicie okołoziemskiej narażone są na oddziaływanie niekorzystnych czynników środowiskowych, zupełnie innych od warunków panujących w atmosferze ziemskiej. Ich wpływ z upływem czasu może okazać się destrukcyjny nawet dla struktur budowanych specjalnie pod kątem lotów orbitalnych. Testy w warunkach laboratoryjnych nie zawsze pozwalają na dokładną symulację degradacji materiału, dlatego specjaliści od inżynierii materiałowej i technologii kosmicznych opracowali szereg programów testowych, służących badaniu różnych materiałów konstrukcyjnych na drodze eksperymentu – bezpośrednio w przestrzeni kosmicznej.
Wśród głównych czynników środowiskowych odpowiadających za degradację materiałów, z których wykonane są statki kosmiczne na niskiej orbicie okołoziemskiej (a więc 95% wszystkich statków kosmicznych), możemy wyróżnić:
- tlen atomowy – powstający w wyniku fotodysocjacji tlenu cząstkowego pod wpływem promieniowania UV; w wyniku zderzenia atomów tlenu z powierzchnią statku kosmicznego, przy prędkościach orbitalnych następuje rozerwanie wiązań atomowych i powstawanie tlenków, które w przypadku polimerów są lotne, więc przyczyniają się do erozji materiału;
- promieniowanie (ultrafioletowe, elektromagnetyczne i korpuskularne);
- ekstremalne temperatury i szoki termiczne – przykładowo komponenty Międzynarodowej Stacji Kosmicznej pod wpływem ekspozycji na działanie promieni słonecznych osiągają temperatury dochodzące do 120 °C, zaś wówczas, gdy Ziemia przesłania Słońce, ich temperatura spada do -156 °C;
- uderzenia mechaniczne – przy średniej prędkości względem statków kosmicznych na orbicie wynoszącej 10 km/s, nawet mikrometeoroidy o masie poniżej grama stanowią źródło problemów. Z czasem ich wpływ można porównać do piaskowania ściernego. Istnieje także zagrożenie związane z rosnącą ilością tzw. śmieci kosmicznych;
- zanieczyszczenia – największą uwagę przykłada się do eliminacji zanieczyszczeń na etapie fabrykacji komponentów; podczas lotów orbitalnych źródłem zanieczyszczeń może być osadzanie się niespalonych lub niecałkowicie spalonych mieszanek paliwowych w stanie gazowym, ciekłym lub stałym, ulegających utlenieniu, co sprzyja korozji.
Wszystkie materiały i komponenty stosowane w budowie statków kosmicznych są metodycznie badane pod kątem odporności na powyższe czynniki, przy pomocy specjalistycznej aparatury, takiej jak TVAC (Thermal Vacuum Chamber) czy XRCF (X-Ray and Cryogenic Facility).
Z drugiej strony w budowie statków kosmicznych muszą być uwzględnione także czynniki ekonomiczne. W latach 1970-2000 koszty wyniesienia ładunku na niską orbitę okołoziemską utrzymywały się na mniej więcej stałym poziomie i wynosiły średnio 18,5 tys. dolarów za kilogram, zasadniczo mieszcząc się w przedziale między 10 a 32 tys. dolarów za kilogram (wg kursu amerykańskiej waluty z 2018 roku). Przełom technologiczny i ekonomiczny nastąpił wraz z wprowadzeniem do eksploatacji rakiet nośnych Falcon 9 i Falcon Heavy, wykorzystujących człon pierwszego stopnia zdolny do powrotu na Ziemię i nadający się do wielokrotnego użytku (rekord w tym względzie należy do członu o numerze burtowym B1067, który 4 grudnia 2024 roku wzniósł się w powietrze po raz 24, by po ośmiu minutach od startu bezpiecznie wylądować na autonomicznej platformie ASOG). W rezultacie rakiety nośne Falcon 9 i Falcon Heavy przyczyniły się do odpowiednio siedmio- i trzynastokrotnej redukcji kosztów wyniesienia ładunków na orbitę [3]. Tym niemniej ładowność rakiet i koszty lotów kosmicznych pozostają ważnym czynnikiem determinującym konstrukcję statków kosmicznych, dla której podstawowym kryterium, obok odporności na warunki środowiskowe, jest niska masa.
Wśród materiałów spełniających zarówno kryterium odpornościowe, jak i wagowe, znajdują się różne specjalistyczne folie, np. aluminiowana folia poliimidowa, czy również aluminiowana lub posrebrzana folia fluoropolimerowa FEP, odpowiadające za pasywne zabezpieczenie podzespołów statków kosmicznych przed promieniowaniem cieplnym. Jednak astronauci serwisujący statki kosmiczne na orbicie mieli okazję przekonać się, że nawet specjalistyczne materiały, rygorystycznie przebadane w warunkach laboratoryjnych, ulegają stopniowej degradacji pod wpływem różnych czynników środowiskowych w przestrzeni kosmicznej. Podczas gdy badania laboratoryjne mogą dostarczyć danych na temat erozji materiałów pod wpływem każdego z wspomnianych wcześniej czynników, ich skumulowane działanie trudno jest przewidzieć. Przykładowo już po pierwszych trzech latach eksploatacji teleskopu Hubble’a, podczas pierwszej orbitalnej misji serwisowej w 1993 roku, na powierzchni zewnętrznej powłoki wielowarstwowej izolacji otaczającej wykonaną ze stopu magnezu osłonę przed światłem rozproszonym, odkryto pierwsze oznaki degradacji materiału w miejscach o największej ekspozycji na działanie promieni słonecznych. Po upływie kolejnych trzech lat, podczas drugiej misji serwisowej, wykonaną z aluminiowanej folii FEP powłokę zastano już rozerwaną. Badania laboratoryjne sprowadzonych na Ziemię próbek izolacji wykazały, że przyczyną wzrostu kruchości materiału i propagacji pęknięć wzdłuż koncentracji obciążeń była kombinacja szoków termicznych i oddziaływania elektronów, protonów, promieniowania UV i X [4].
Z kolei panele słoneczne zasilające Międzynarodową Stację Kosmiczną trafiły na orbitę w listopadzie 2000 roku, a już w lutym 2001 roku zaobserwowano erozję aluminiowanej powłoki poliimidowej, pokrywającej piankowe, poliimidowe ochraniacze na końcach paneli słonecznych, spowodowaną działaniem tlenu atomowego [1]. Powyższe przykłady są świadectwem tego, jak bardzo rzeczywiste warunki mogą odbiegać od tych, prognozowanych podczas badań laboratoryjnych. Potrzebę prowadzenia badań nad odpornością materiałów na czynniki środowiskowe panujące na orbicie okołoziemskiej dostrzegano jednak już znacznie wcześniej.
cały artykuł jest dostępny w wydaniu płatnym 11/12 (206/207) listopad/grudzień 2024
