2023 giugno 3a settimana Raccomandazione notizie WBM- Cuscinetti SMB: Cuscinetti nello spazio

"Lo spazio è un affare rischioso", ha detto una volta Aaron Cohen, vice amministratore ad interim della NASA. "Ho sempre considerato ogni lancio un'esplosione appena controllata." Con diversi nuovi progetti spaziali previsti nel prossimo futuro, questi rischi devono essere evitati a tutti i costi. Ciò impone agli ingegneri un onere maggiore per creare componenti ad alte prestazioni in grado di resistere a violenti lanci di shuttle e inospitali vuoti di spazio. Qui, Chris Johnson, amministratore delegato del fornitore specializzato di cuscinetti SMB Bearings, spiega il ruolo vitale dei cuscinetti avanzati nei viaggi dell'uomo oltre le stelle.

Le Nazioni Unite (ONU) hanno identificato i servizi e le tecnologie spaziali come fondamentali per i suoi 17 obiettivi di sviluppo sostenibile per il 2030. La tecnologia spaziale, afferma il suo sito Web, sarà "chiave per comprendere il cambiamento climatico e durante l'intero ciclo di gestione dei disastri; solo due esempi tra innumerevoli applicazioni a cui lo spazio può contribuire." La rivista Forbes prevede diversi sviluppi tecnologici spaziali nei prossimi anni. Includono progetti orientati all'ambiente, come telecamere a infrarossi sui satelliti per monitorare le emissioni termiche prodotte da case e aziende e mappe di immagini satellitari che misureranno la deforestazione in relazione all'utilizzo del carbonio.

Sono previsti anche viaggi sulla Luna con carichi utili più piccoli, aggiunge Forbes, e il lancio di più satelliti. Questi progetti eserciteranno una maggiore pressione sui produttori di apparecchiature affinché reperiscano e utilizzino componenti di macchine mission-critical in grado di sopravvivere al vuoto dello spazio. Componenti vitali come sensori, celle solari, lenti e semiconduttori saranno soggetti a fluttuazioni di temperatura estreme a causa della radiazione solare non filtrata, causando in alcuni casi guasti e danni per milioni di dollari.

Queste sfide valgono anche per i cuscinetti. Uno dei principali problemi è che gli ambienti sottovuoto ultrapuliti, in particolare quelli caratterizzati da alte o basse temperature o elementi altamente corrosivi, possono influire sulla durata dei cuscinetti di un sorprendente 90%. Da un lato, i costruttori di macchine hanno aumentato i requisiti prestazionali per i cuscinetti utilizzati in applicazioni terrestri come la lavorazione degli alimenti e la fabbricazione dell'acciaio, in particolare per migliorare le loro prestazioni in ambienti altamente corrosivi e contro l'esposizione all'umidità e alle sostanze chimiche. Ma come possono i cuscinetti resistere al vuoto dello spazio e alla crescente domanda per il loro utilizzo nelle applicazioni spaziali?

Vita più lunga
Le dure condizioni dello spazio includono fattori impegnativi come il vuoto assoluto, le temperature fluttuanti e anche le forze G estreme e violente a cui sono soggetti i componenti del razzo durante il decollo. Per resistere a queste condizioni, i cuscinetti devono essere approvati per lo spazio, ma cosa significa esattamente?

Per cominciare, i cuscinetti per l'uso nello spazio dovrebbero idealmente soddisfare lo standard AS9102 Aerospace First Article Inspection che copre i processi per la produzione di parti, dai piccoli componenti elettrici ai grandi assiemi strutturali, utilizzati nell'aviazione, nello spazio e nella difesa. Questo fa parte della serie di regolamenti AS9100, che è l'equivalente del sistema di gestione della qualità ISO 9001 per il settore aerospaziale. Questi standard impongono requisiti ingegneristici al cuscinetto stesso.

Prendiamo ad esempio la gabbia a sfere, chiamata anche fermo, che separa le sfere del cuscinetto dal componente centrale di rotolamento. La gabbia può essere realizzata in acciaio inossidabile austenitico AISI 304 per la sua eccellente resistenza alla corrosione e buone prestazioni alle alte temperature. Anche il rivestimento dei cuscinetti in acciaio inossidabile in politetrafluoroetilene (PTFE), uno dei materiali plastici conosciuti più versatili al mondo, è vantaggioso. Il PTFE sta diventando sempre più utilizzato al di fuori dei veicoli spaziali e ha mostrato proprietà di trazione, allungamento, flessione e impatto che sono fino a dieci volte migliori in ambienti sottovuoto rispetto alle plastiche a base di fluoro più comunemente utilizzate, come il Tefzel (ETFE).

Dovrebbe essere considerata anche la durata dei cuscinetti, soprattutto se devono essere utilizzati in elementi rotanti a bordo di veicoli spaziali che devono rimanere operativi lontano dalla Terra per anni, decenni o indefinitamente. La lubrificazione è fondamentale in questo caso e sono stati sviluppati oli a basso degassamento ea bassa pressione di vapore appositamente per le applicazioni spaziali. I lubrificanti liquidi a base di idrocarburi sintetizzati o perfluoropolietere (PFPE) sono utilizzati nell'industria aerospaziale da oltre 30 anni.

Ambienti aggressivi
Diamo un'occhiata ad altri materiali: la ceramica, che viene comunemente utilizzata nei sistemi di protezione termica o negli scudi termici nello spazio. È stato dimostrato che la ceramica resiste efficacemente a sbalzi di temperatura estremi, come quando un veicolo spaziale entra in qualsiasi tipo di atmosfera ad alta velocità, sia essa la Terra o Marte. Le ceramiche hanno un'eccellente stabilità alle basse e alle alte temperature, il che significa che possono essere utilizzate nello spazio profondo e nella criogenia, nonché nelle applicazioni in fornace.

Questo ci porta ai cuscinetti in ceramica, che sono spesso messi in ombra dalle loro controparti in acciaio a causa dei loro pro e contro. Innanzitutto, i contro: la rotondità degli anelli in ceramica non è buona come quella dei cuscinetti in acciaio di alta precisione. Sebbene i cuscinetti in ceramica siano più duri dell'acciaio, il materiale è anche più fragile. Per questo motivo, i cuscinetti in ceramica integrale non vengono utilizzati in applicazioni ad altissima velocità come macchine utensili o turbine. I cuscinetti ibridi Super-precision sono preferiti per queste applicazioni. I cuscinetti in ceramica sono anche più costosi.

Tuttavia, i cuscinetti in ceramica vengono utilizzati in ambienti aggressivi dove altri materiali non sono adatti. Sono più comunemente utilizzati in applicazioni in cui è richiesta un'eccellente resistenza alla corrosione, insieme all'esposizione a temperature estremamente basse o elevate. In altre parole, gli esseri in ceramica sono ideali per l'uso nello spazio.

I materiali più comuni utilizzati nei cuscinetti in ceramica di SMB Bearings sono l'ossido di zirconio (ZrO2) e il nitruro di silicio (Si3N4). Entrambi hanno un'eccellente resistenza alla corrosione, questi materiali hanno un basso coefficiente di attrito, che ci porta a un vantaggio chiave dei cuscinetti in ceramica integrale: possono funzionare costantemente a velocità senza lubrificazione, motivo per cui Si3N4 viene spesso utilizzato in ambienti sottovuoto.

I cuscinetti ZrO2 possono essere utilizzati fino a 400 gradi Celsius e i cuscinetti Si3N4 fino a 800 gradi Celsius. Inoltre, per queste temperature, SMB Bearings raccomanda che i cuscinetti siano a pieno riempimento. Ciò significa che il cuscinetto non ha un fermo della sfera e, invece, lo spazio libero consente di montare sfere aggiuntive. Questo aumento del numero di sfere consente aumenti significativi della capacità del cuscinetto radiale sebbene la velocità massima sia notevolmente ridotta. Fino a circa meno 200 gradi Celsius, la ceramica ha anche eccellenti prestazioni a bassa temperatura, a condizione che venga utilizzata una gabbia adatta.

Con le loro proprietà leggere e compatibili con il vuoto, i cuscinetti in nitruro di silicio saranno molto utilizzati nelle applicazioni di esplorazione spaziale. Ne beneficeranno in particolare i satelliti e i veicoli spaziali, che necessitano di capacità di peso ottimali per eseguire dinamiche di volo e accelerazione migliorate. Questi cuscinetti speciali, insieme alle loro controparti in acciaio inossidabile, saranno fondamentali per garantire che il prossimo passo da gigante per l'umanità sia un'attività tutt'altro che rischiosa.