Wie verhindert man im Weltraum ungewolltes Kaltverschweißen?

Metallische Oberflächen, die sich im Vakuum berühren, können aneinander haften und verschmelzen. Dies ist als " kaltes Schweißen " bekannt und scheint ein mögliches Problem im Weltraum zu sein, wenn es dort auftritt, wo es nicht sein sollte. Es wurde zum Beispiel in dem 2009 erschienenen Papier Assessment of Cold Welding between Separable ContactSurfaces due to Impact and Fretting under Vacuum STM-279 der ESA diskutiert, das die Tests des Kaltschweißphänomens unter verschiedenen Bedingungen zusammenfasst und zu dem Schluss kommt, dass es im Weltraum ein Problem sein kann .

Ich würde gerne wissen, ob es einige konkrete Beispiele gibt, wie dies beim Design von Raumfahrzeugen verhindert wird. Beispielsweise haben die ISS Solar Array Rotary Joints (SARJ) ziemlich große rotierende Metallflächen, die dem Vakuum ausgesetzt sind. Gibt es im SARJ Gegenmaßnahmen gegen das Kaltverschweißen?

Es gibt auch andere bewegliche Geräte auf der ISS: Canadarm2 , Dextre , Mobile Base System , Heat Rejection System Radiators , etc. War es notwendig, das Kaltschweißen zu berücksichtigen, als einige (oder alle) davon hergestellt wurden?

Andere Raumfahrzeuge haben auch bewegliche Teile: Das Space Shuttle hatte die Türen der Nutzlastbucht, Raumsonden tragen Solarzellen und entfaltbare Antennen mit hoher Verstärkung usw.

Antworten (1)

Ich werde mich hauptsächlich auf die Verhinderung von versehentlichem Kaltverschweißen im Vakuum des Weltraums konzentrieren, aber als Referenz war eine der möglichen Ursachen für die Anomalie beim Einsatz der Galileo-Antenne mit hoher Verstärkung, die in Betracht gezogen wurde (1), auch „Retention of the ribs at the Mittelpunkteinspannung durch Reibung, Kaltverschweißung oder Adhäsion".


Versehentliches Kaltverschweißen verhindern:

  • Materialauswahl : Kontaktflächen können entweder aus unterschiedlichen Materialien bestehen, die nicht kaltverschweißbar sind, und/oder aus Materialien mit geringer Kontakthaftung (unähnliche Metalle). Aerospace & Advanced Composites (AAC) veröffentlicht eine Cold Weld Database , in der Materialkombinationen und ihre Haftung in vier Kategorien aufgeführt sind, auch für Fretting- und Schlagkontakte.
  • Beschichtete Oberflächen : Ausgewählte Materialien können beschichtet werden (lackiert, eloxiert, oxidiert, chemisch beschichtet, ...), um die Kontakthaftung zu verringern. Die Wirksamkeit der Beschichtung kann durch Fressen und Schlagschäden verringert werden.
  • Reduzierte Abhängigkeit vom Aktuator : Durch die Reduzierung der Anzahl beweglicher Teile werden Oberflächen, die anfällig für Reibschäden, triboelektrischen Verschleiß und die Belastung ungeschützter Materialien durch Kaltschweißen sind, ebenfalls kleiner.
  • Sichere passive Strukturen : Sichere Riegel, Schlösser, Befestigungselemente usw., um zu verhindern, dass Verschleiß und abrasive Partikelverunreinigungen zwischen andere bewegliche Teile gelangen.
  • Sauberkeit : Reduzieren Sie die Kontamination der Baugruppe mit Partikeln und Molekülen, um Abrieb, Verschleiß und Korrosion von oberflächenbeschichteten Materialien zu reduzieren. Vor dem Einsatz und in einigen Fällen auch während des Einsatzes kann eine Umgebungsabdichtung, Spülung oder Spülung mit inerten Gasen oder Flüssigkeiten erfolgen.
  • Schmierung : Verwendung spezifischer Materialoberflächeneigenschaften oder eines aufgebrachten Materials zwischen zwei sich berührenden oder sich bewegenden Oberflächen, um Reibung, Verschleiß oder Adhäsion zu reduzieren.
  • Kontaktfläche reduzieren : Entweder durch Vergrößern des Abstands zwischen ihnen, Verringern der Oberflächengröße insgesamt und/oder Verwenden von nicht polierten Oberflächen mit geringer Kontaktfläche, wo möglich.
  • Reduzieren Sie die Umweltbelastung : Thermische Isolierung von Teilen, die Temperaturwechseln ausgesetzt sind, Schutz vor Mikrometeoriten, Strahlungsschäden, durch Streulicht verursachte Emissionen, elektrostatische Aufladung und chemische Wechselwirkungen (z. B. atomarer Sauerstoff), die die Beschichtung abbauen oder beschädigen und/oder Verunreinigungen einführen und blanke Metalle freilegen können zum Kaltschweißen.

Und so weiter, und dies sind nur einige der Minderungstechniken, von denen ich dachte, dass sie spezifisch sind, um versehentliches Kaltschweißen zu verhindern. Die Liste ist keineswegs vollständig. Genauer gesagt hält sich die ESA an ECSS Space Engineering Mechanisms (ECSS-E-ST-33-01C), die dies in Abschnitt 4.7.5.4.5 Trennbare Kontaktflächen (2) behandeln .


Für einen allgemeineren Überblick über das Kaltschweißen in Weltraumanwendungen empfehle ich die Lektüre der ESA- Bewertung zum Kaltschweißen zwischen trennbaren Kontaktflächen aufgrund von Stößen und Fretting unter Vakuum (3) . Aus seiner Zusammenfassung:

Eine übliche Fehlerart, die während des Testens und Betriebs von Raumfahrzeugen beobachtet wird, wird als "Kaltschweißen" bezeichnet. Europäische Laboratorien bezeichnen dies als „Adhäsion“, „Kleben“ oder „Haftung“. Diese Veröffentlichung soll der Weltraumgemeinschaft das neueste Verständnis des Phänomens des „Kaltschweißens“ in Bezug auf Raumfahrzeugmechanismen mit trennbaren Kontaktflächen vermitteln. Es stellt einige grundlegende Theorien vor und beschreibt eine Testmethode und die erforderliche Ausrüstung. Kaltschweißen zwischen zwei sich berührenden Oberflächen kann unter Schlag- oder Reibbedingungen auftreten. Diese Oberflächen können blanke Metalle oder anorganisch oder organisch beschichtete Metalle und deren Legierungen sein. Es werden Standardverfahren zur Quantifizierung der Neigung von Materialoberflächenpaaren zum Kaltverschweißen miteinander vorgeschlagen. Von besonderem Interesse sind die Kontaktdaten verschiedener Materialien, die in numerischer Form und als Tabellen präsentiert werden, die Kontakte zwischen Materialien zusammenfassen, die entweder empfohlen oder als ungeeignet für den Einsatz unter Vakuum betrachtet werden können. Die Daten wurden in einer online zugänglichen Datenbank zusammengestellt.

Quellen:

  1. Anomalie bei der Bereitstellung von Galileo-Antennen mit hoher Verstärkung , Michael R. Johnson, JPL (PDF)
  2. Space engineering Mechanisms , ECSS-Sekretariat, ECSS-E-ST-33-01C, 6. März 2009 (PDF)
  3. Assessment of Cold Welding between Separable Contact Surfaces due to Impact and Fretting under Vakuum , BD Dunn, ESA STM-279, November 2009 (PDF)