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人造卫星和空间结构中的材料

时间:2018-06-29 08:01来源:中国国家天文
我们目前比以往任何时候都更加依靠卫星和飞行器在空间进行通信。他们帮助我们提供电视画面、电话和多种通信信号,然而他们需要在恶劣的环境中进行工作和生
我们目前比以往任何时候都更加依靠卫星和飞行器在空间进行通信。他们帮助我们提供电视画面、电话和多种通信信号,然而他们需要在恶劣的环境中进行工作和生存。人造卫星能够完成这些任务,都是基于制造它们的独特材料。

在太空中使用的材料,往往不是人类创造的最先进的材料,而我们正在不断地研究和创造新的和改进的材料。这些材料需要具有许多独特的性能,才能有效的在太空工作。

太空中需要的材料功能

卫星是一个不断地移动远离和靠近太阳的直接热量的物件,以一个稳定的温度流,这可能会导致其膨胀和收缩。结果是,科学家们考虑的是,尽管温度发生变化,材料依然保持它的尺寸和形状,这被称为尺寸稳定性。

在太空中,这些空间结构需要能够承受其独特的恶劣环境。这是一种材料的环境稳定性。在太空中,这意味着该材料可以保持稳定,尽管辐射和太空的真空条件存在着。

一种新材料在太空中使用所需的最重要特性是强度和刚度。当一个物件在围绕地球的轨道上运动,将经受难以置信的力,这将撕开相对脆弱的结构。

单单卫星的发射就可以使材料承受高达三倍重力的力量,这意味着每个组件将重达在地球上的三倍多。该材料必须保持其完整性而不折断,或者在巨大的力量下弯曲,否则卫星到达太空后将无法正常工作。

一旦卫星在太空中,它必须在微重力下保持功能,其中的部分材料将比他们在地球上的重量更少。这种引力的强度变化意味着,所用的材料必须是令人难以置信的多适用性和有独特的完整性。

该空间结构还必须能够承受来自卫星内部的机舱压力。在国际空间站里,内部的氧气能对表面每英寸产生高达15磅的力量。

如果材料不够坚固,能承受每英寸15磅的力,就可能造成破裂并导致漏气,这会威胁飞行器中的每个人的生命。

另一个威胁到卫星的是抛弹物的数量,很多都会与卫星发生碰撞接触。解散的人造卫星弹片会围绕地球轨道运动,最后作为轨道的太空垃圾。

这些高速的废铜烂铁可以撕碎新的仍在运行的卫星,如果使用的材料没有强大到足以摆脱这些“炮弹”。

除了这些人造的人造卫星威胁,太空中的流星速度可以达到42公里/秒(比子弹快),同样可以显著威胁到卫星。

当卫星发射到地球轨道的时候,已经是昂贵的冒险,所考虑的材料必须在经济上可行。科学家们必须考虑制造材料多么昂贵,以及测试材料的费用。

在许多情况下,科学家将无法继续研究材料,因为材料的测试资金过于昂贵。为了在太空切实的使用材料,材料也必须是非常轻量化。因为额外的一公斤质量可以增加数千美元的发射成本。

迎面挑战的材料们

凯夫拉纤维

一个能够适应该提案的材料是凯夫拉纤维。凯夫拉是防弹背心和盔甲使用的材料,是一个令人难以置信的轻巧而坚固的材料,这将使得它完美的适应太空旅行。

除了它的高强度,凯夫拉也令人难以置信的可以耐温度变化,这使得它非常适合于在太空结构绕地球轨道运行的时候,太阳的直接热量进出的变化。凯夫拉的韧性和耐用性也使得它适用于保护人造卫星,免于来自轨道碎片的威胁。


经常在太空中使用的另一种材料是铝,这是因为它重量轻。就其本身而言,铝是不是强度十分高,但如果结合其他金属成合金,就会变得更强。

铝合金通常坚固又轻巧,足以成为空间结构和卫星的结构而起作用。铝被用于在国际空间站的窗户百叶,以保护窗户免受冲击。

这些窗口的玻璃往往比地球上用于面板的玻璃厚两倍多。然而,更多的铝百叶窗可以保证航天员的安全。

未来材料

未来的材料需要通过更为严格的测试,才能在更严格的环境下生存。

NASA兰利正在研究一种结构,将可使望远镜保持稳定聚焦在一个遥远的对象上,而移动不超过四百万分之一英寸。这必须通过抵消可能由科学传感器和卫星等附着物引起的小的振动来完成。

未来的人造卫星和空间结构,必须能够抵消这些振动,并保持更先进的科学设备所需求的精度和准确度。这些新材料和实验,可以让我们进一步探索和拓展太空。
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