太空卫星系统及其面向密封和聚合物材料解决方案的发展趋势

2020年03月23日

核心系统关键零部件设计的来源:

自从1957年10月4日苏联发射第一颗人造卫星“Sputnik”以来,已有40多个国家发射接近9000颗卫星。曾经用作执行军事侦察任务的卫星现在不但已经司空见惯,而且还与我们的日常生活息息相关。若是没有卫星,我们该如何观看精彩体育赛事的实况转播,如何利用天气预报做好应对风雨的准备,甚至如何回溯时光去揭开埋没千年古老城池的面纱?  

卫星数量始终有增无减;从2018年到2028年,预计每年平均要发射990颗卫星。欧洲咨询公司(Euroconsult)在其2019年版《待制造及待发射的卫星》中介绍,到2028年卫星总数将达到9,900颗,相比过去十年发射的2,300颗卫星,数量增长了四倍。 

而SpaceX、OneWeb、Telesat和亚马逊Project Kuiper等新兴企业表示,他们预计在未来几年内将发射近46,000颗卫星。随着这些公司以及传统制造商的不断创新,卫星行业及其设计也日新月异。作为航天工业密封和聚合物解决方案的可靠供应商,圣戈班密封件业务部不断创新材料解决方案,以满足持续演变的客户需求。

在卫星行业内部,低轨道和小卫星是发展趋势。2018年的近地轨道卫星(LEO)约占全球发射量的51%,到了2019年,估计将增至54%以上。这些尺寸较小、重量较轻且轨道较低的卫星能够为无法铺设光缆的偏远地区提供商业服务以及高速可靠的互联网访问和连接能力。技术的不断发展正在让全球通讯变得更加强悍!

私人发射服务在过去十年中让卫星发射成本得到大幅度降低,成本从航天飞机时代的每公斤80,000多美元降到现在的每公斤约1,000美元。更低的发射成本结合同时发射多个卫星的技术,让当前的小卫星和星链概念在技术上和商业上均具有可行性。最终,庞大的卫星发射需求让行动敏捷的初创企业进入市场,与成熟的卫星制造商展开竞争,在这一原本沉闷保守的行业激起创新的涟漪。

卫星系统先进聚合物解决方案的发展轨迹

从这一新格局中兴起的两种趋势正在推动向先进聚合物的转变。 

更为紧凑的卫星需要尺寸更小、重量更轻的零部件:近地轨道卫星小而轻的需求已经改变材料和设计的观念。尺寸更小、更紧凑、重量更轻的近地轨道卫星通常在设计上也更为灵活,这往往让聚合物成为零部件的最佳之选。

行业新手以及传统开发人员不断寻求创新:其中包括寻找更紧密地链接卫星软件和硬件的解决方案,以实现从太空到地球更好的信息采集和传输,而采用先进材料将更有利于实现该方案。这一过程通常包括寻找重量更轻、使用寿命更长和/或具有化学相容性的材料解决方案。
先进聚合物具有更高的机械强度和更低的重量。在很多情况下,其可以替代金属。先进聚合物在近地轨道和其他卫星设计中的特殊优势包括:

- 与卫星推进器和推进系统常用自燃推进剂的化学相容性

- 低释气和抗辐射

- 满足GEO卫星10至15年的长寿命要求

- 电气绝缘和绝热功能

- 耐真空能力

- 在卫星应用和航天工业内部已有广泛应用


了解聚合物密封圈及组件在卫星系统的多种用途


此类先进聚合物在卫星系统中如何应用?以下为五类新兴应用。

在化学推进系统中:OmniSeal®弹簧蓄能密封圈通常用于各种类型的阀门和油箱。由多种PTFE和填料PTFE密封材料制成的OmniSeal®聚合物密封圈能够承受弹性密封圈无法耐受的恶劣环境和苛刻条件。

在太阳能电池板部署系统中:Rulon®共混填料PTFE材料可以让微卫星太阳能电池板阵列从发射时的折叠状态到轨道展开过程中获得极低的摩擦系数。由于经过飞行验证的Rulon®J材料具有市售共混PTFE材料中最低的摩擦系数、较低的释气量以及较轻的重量,并且能够以极高精度进行加工,因此成为这一应用的理想解决方案。 

在光电设备中:对于监视、侦察和对地观测任务,OmniSeal®弹簧蓄能密封圈能够保护有机玻璃摄像机系统内的电子设备避免受到外界环境影响(30%以上的已发射卫星均配备这一功能)。已在飞机、直升机和无人机上得到可靠应用的OmniSeal®密封圈能够确保系统在整个使用寿命中保持正常运行。

在结构和耐磨组件中:Rulon®、Meldin®热塑性塑料、Meldin®7000高性能聚酰亚胺和圣戈班HyComp先进复合材料取代陶瓷、铝和其他金属,成为连接运动部件的轻质替代品。根据不同要求,可以选用不同类型的Saint-Gobain Seals材料制造具有摩擦性能要求的结构连接器(如轴承和衬套)。除了能够减轻重量外,Rulon®、Meldin®和HyComp先进复合材料还具有良好的机械性能、低摩擦、自润滑和低释气性。

在霍尔效应推进器和电力推进系统中:随着卫星尺寸变得越来越小,很多公司正在转向采用电力和氙气推进。OmniSeal®弹簧蓄能密封圈可以代替弹性体密封件达到更好的密封效果。
尽管先进聚合物具备诸多优势,但金属密封圈(如圣戈班ASE和HTMS金属密封圈)在某些情况下可能仍然是满足最严苛泄漏要求的更好替代方案。当尺寸和重量不是主要考量,而需要优先保护诸如海拔或系统传感器之类的关键电子系统时,金属密封圈由于可以满足极为严苛的泄漏要求,因此可能成为首选。气象卫星的校准仪器也存在类似的严苛要求。可以使用金属密封圈的其它示例还包括:

- 激光系统 

- 一次和二次供电系统

- 航向参考系统(陀螺仪)

- 速度、高度和加速度测量系统

- 夜视仪

- 雷达电子设备


在圣戈班密封件业务部收购多家金属密封公司之后,已能够同时提供聚合物和金属密封解决方案,不但扩大了产品范围,也扩展了航天行业的客户基础。圣戈班已经在太空工业为探索月球、火星乃至其他任务提供超过60年的服务。圣戈班与主要卫星制造商、寻求不断突破的太空公司以及发射火箭的火箭制造商展开密切合作,帮助实现卫星设计和性能创新,改善我们所有人的生活和交流方式。 
 
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