早期世纪的探险家以木材和金属制成的运输方式环游世界。然而,今天,进入未知世界需要使用更耐用的材料制造的车辆。当这些车辆包括由复合材料制成的部件时,它们将获得突破性远征所需的韧性,强度和弹性。复合材料正在证明他们有能力在海面以下,地球上最冷的地方甚至另一个星球上最苛刻,最具挑战性的环境中生存。

在复合材料的帮助下,当今的冒险家们能更加深入未知的世界-复合材料网

探索海洋深度

设计用于深海勘探的潜水器必须承受巨大的压力。在海平面,气压为每平方英寸14.5磅(psi);在地表以下4000米(约2.5英里)处,深水施加5800 psi的压力。很少有船只能承受这种力量,但是由OceanGate开发和运营的五人潜水器Titan却已经安全行驶了数次。Titan的强压容器由CFRP圆柱形船体制成,两端均盖有钛膜圆顶,这使它成为可能。

OceanGate为其早期潜水器Cyclops 1使用了金属压力容器。Titan改用CFRP具有一些重要的优势。OceanGate首席执行官兼联合创始人Stockton Rush说:“从强度到浮力的基础上,碳纤维比钛好3倍,而水下正是您关心的。” “重量不是重量,而是强度是浮力。”

使用碳纤维的一个问题是缺乏有关其在深海条件下如何反应的信息。大多数大型CFRP压力容器(例如气罐)的测试都集中在拉伸载荷上。但是,OceanGate需要了解此类船只在海底遇到的均匀外部压力下的性能。

OceanGate最初与波音公司合作开发了一种压力容器,该压力容器是使用带有预浸料缠绕的自动纤维铺放制造的。但是,波音公司开发的用于模拟FAA认证材料的软件必须包含离轴层,而这并不是OceanGate所需要的。“在压力容器中,没有扭转力,没有离轴;都是正交的。因此,如果您想使光纤适应负载,则实际上只需要在箍和轴向上(围绕它并沿途)就可以了,” Rush解释说。

然后,公司求助于Spencer Composites,该公司先前为已故的飞行员/冒险家Steve Fossett的项目建造了CFRP船体。“ Spencer做了大量的工作,以0/90度的叠层推动信封,这是我们真正想要的,” Rush说。Spencer的方法-重新构建,测试,修改和构建-也吸引了OceanGate。

斯宾塞(Spencer)能够生产压力容器的碳纤维外壳,但制造碳纤维端部圆顶的尝试并不成功。“如果您是用细丝缠绕圆顶,那么很难不让纤维以棒球缠绕的方式重叠。我们尝试了这一点,但性能并没有达到我们希望的水平。” Rush说。因此,土卫六包含与独眼巨人1相同类型的钛圆顶。

该团队还开发了一种GFRP插件以适合船体。钛制的端盖以及研究和导航设备均附接到该插件上,因此不会因穿透CFRP外壳而使CFRP外壳变弱。拥有可移动的插入物,可以轻松检查船体并更改Titan的配置,以容纳五名研究人员,三名研究人员,甚至可以自主操作。

反对在潜水器中使用复合材料的一种论点是,由于碳纤维或复合结构的薄弱点(仅在多次使用后才会出现),它们可能会在没有警告的情况下失败。为了确保不会发生这种情况,OceanGate开发了一个独特的监控系统,该系统包括应变仪和声学传感器,可监听可能指示所有类型故障的任何声音。Rush说:“我们可以听到小的声音,例如树脂中的气穴,树脂崩溃或纤维弯曲。” 如果声音与之前的潜水不同,在1000米或其他深度处,飞行员可以中止潜水并返回水面,以便机组人员可以检查压力容器。

土卫六长22英尺,宽9.​​2英尺,高8.3英尺。它具有所有深潜潜水器中最大的视口,并配备了专为深海探索而设计的顶级设备,包括高清摄像头,声纳和40,000流明的外部光。它旨在处理现场调查和检查,研究和数据收集,媒体项目等。

迄今为止,泰坦的任务是潜水。去年12月,拉什(Rush)进行了一次个人潜水,潜入4,000米的高度。四个月后,他成为四人船员的一员,该船员帮助泰坦创下了世界纪录,成为第一个在3760米以下的海域运载超过三人的非军事潜艇。明年夏天,泰坦号将载客降落,探索位于北大西洋海面以下两英里处的泰坦尼克号残骸。

拉什说,当拉什(Rush)穿越这些深度时,水中的微粒被土卫六的灯光所照亮,感觉就像穿越星空。远航帮助他实现成为一名宇航员儿时的梦想。“我正在探索的空间,但我探索内部空间,”他说。

最喜欢的探险家,拉什是不满足于他取得的成就。OceanGate已经在开发其下一代潜水器,该潜水器将能够下降到6000米。“拥有4,000名米,我们只能获得一半的海洋,”拉什说。“在6,000米处,可到达98%的海洋。”

用太阳越过冰

来自荷兰的探险家埃德温·特·维尔德(Edwin ter Velde)和他的妻子利斯贝斯(Lisbeth)的使命是“寻求改变”。在致力于实现零浪费的生活方式之后,他们进行了一次独特的冒险活动,以引起人们对这一事业的关注并激发灵感人们可持续地生活。从2018年12月中旬开始,他们乘坐主要由可回收塑料制成的太阳能汽车横穿南极洲前往南极30天。他们将旅程称为“清洁南极2(C2A)”。

即使在传统的重型汽车中,穿越南极洲也不是一件容易的事。它是地球上最冷,最干燥,最风的大陆,平均温度从最高海拔到华氏76度到沿海的宜人的14度不等。进行此旅程的任何车辆都必须使用能够承受南极洲严酷气候及其崎,冰冷地形的材料制造。太阳旅行者号具有这种力量,部分原因是帝人集团的努力。

埃德温·特·维尔德(Edwin ter Velde)最初曾要求帝人帮助赞助这次旅行。Teijin Limited解决方案2.0新业务开发人员Martijn van der Leeden说:“但我们认为,通过帝人集团的材料和知识来支持它,并成为这场冒险的一部分,将是我们更好地支持他们的方式。” 。“帝人为Solar Voyager的车身和结构材料提供了轻质和高强度的材料,并支持了轮胎的设计和分析。”

Solar Voyager由一辆卡车和两辆拖车组成,它们装有发电太阳能板。它的总长度约为52.5英尺,重约3275磅。

车辆的车身由HexCores制成,可以像拼图碎片一样装配在一起。HexCores是用回收的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成的细丝进行3D打印的,回收的聚对苯二甲酸乙二醇酯是一种废旧塑料,荷兰城市兹沃勒的孩子们为C2A项目收集了这种废塑料。基本的HexCore形状是大约0.8英寸厚的蜂窝状六边形,但C2A团队还必须打印PET角,边缘和安装点以创建船体。大约打印了137种不同的表格,总共有2500种Solar Voyager构造所需的打印形状。

船体建造后,将其用帝人公司的Tenax层叠®碳纤维,以提供额外的刚性,防止穿刺和用于加强区域如悬浮液的金属A-帧供强的安装点。

太阳能旅行者的下侧覆盖有编织的Twaron ®对位芳纶纤维以及针对锐利的冰提供保护的环氧树脂。Van der Leeden说,对位芳族聚酰胺仅是钢重量的五分之一,但是其抗拉强度的六倍。此外,它具有出色的耐热性和弹性模量。他说:“碳纤维具有抗拉强度,但碳纤维在受到侧面冲击时很脆弱。” “ Twaron可以提供更大的保护,以抵抗侧面冲击。”

帝人通过实验和早期测试验证来设计车轮,以找到正确的方法。它开发了两种不同的设计,一种非常坚固,另一种非常柔软。范德·里登说:“我们最初选择的是刚性的,必须在类似于北极条件下进行验证。” “这显示得很快,这不是该车辆的正确设计。我们把它改成了更加柔软的设计,并在相同条件下,这被证明是正确的设计。”从帝人公司Endumax做出篮网®,一个特殊的超高分子量聚乙烯(UHMWPE),是该轮设计的一个组成部分,最大程度地减少滚动阻力并最大程度地提高牵引力。该材料还有助于软充气轮胎保持其尺寸稳定性。

太阳能资源管理器的窗口是从自发热的Panlite制成®聚碳酸酯(PC)树脂,其是200倍的抗性比玻璃和一半重量的冲击,根据帝人。前窗吸收红外线,以保持车内热量。这并不是为了给乘客带来舒适感-费尔德斯(Tel Veldes)一直穿着重型冬装-而是要防止由于车内湿空气凝结而在车窗上结冰。

Ter Veldes随身将Solar Voyager的HexCore零件带到了南美,并在那里组装了车辆。尽管那是南极洲的夏天,但是他们在Solar Voyager上的旅行并不容易。由于天气条件异常危险,因此他们永远无法到达南极。van der Leeden说,但是包括所有帝人材料和解决方案在内的Solar Voyager的表现都很出色。

Ter Veldes旅行结束后,他们拆解了Solar Voyager,并返回了荷兰。尽管他们从未到达过南极,但夫妻俩还是感到自己实现了目标。他们表明,即使在南极非常困难的环境中,太阳能旅行也是可能的,并且他们证明,即使是废塑料也可以重复使用。

前往另一个世界的旅程

尽管水星和金星离地球更近,但火星是吸引科学家和探险家最多注意力的星球。根据《数字趋势》杂志的报道,迄今为止,火星有56个不同的任务,尽管其中只有25个成功。预计到2024年将有7次火星任务,并且由复合材料制成的航天器部件很可能会在所有飞行和行星探索中随身携带。

这些即将到来的任务之一是ExoMars,这是欧洲航天局(ESA)和俄罗斯航天局Roscomos的一项联合计划。Thales Alenia Space是该项目的主要承包商,该项目旨在调查火星环境。该项目的第一阶段于2016年进行,当时该团队将微量气体轨道器送入了火星轨道,并测试了进入,下降和着陆演示器模块(EDM)。在第二阶段(将于2020年开始),这些机构将在红色星球上降落机器人漫游车。

这位名为罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Franklin)的机器人探险家将向英国著名的生物化学家致敬,他将收集并分析从火星表面下方收集的样本,钻探深度可达6.5英尺。这些机构希望找到甲烷和其他微量大气气体的证据,这些证据可能表明生命曾经存在于地球上。

为了完成任务,罗莎琳德·富兰克林必须在3月极端寒冷的环境中工作-平均温度为华氏零下80度。尽管车辆将运行在六个车轮上,这些车轮将在移动时自动调整其高度和角度,但底盘必须足够坚固以承受可能与火星岩石表面的接触。CFRP材料将提供Rosalind Franklin底盘所需的重量轻和耐用性。

空中客车防御与太空公司正在开发罗莎琳德·富兰克林,而RUAG Space则提供许多零件。RUAG聘请了Scheurer Swiss工程公司来协助研发流动站的CFRP底盘。

Scheurer Swiss之前曾在RUAG Space的Sentinel和其他ESA卫星上工作。“ RUAG Space已经与我们取得了一些良好的经验,并且了解我们的工程能力,” Scheurer Swiss首席执行官Dominik Scheurer说。“在该项目的过程中,我们的服务从工程扩展到为层压系统,3D层平整和现场生产支持提供激光系统咨询。”

空中客车公司和RUAG Space决定在早期阶段就将CFRP用于底盘。Scheurer补充说:“没有其他材料可以提供所需的强度和耐温性能。”

底盘由高性能的预浸料和氰酸酯树脂制成。为了提高制造速度和成品质量,Scheurer建议RUAG使用软件将其3D模型转换为2D模式,并在层压过程中使用激光投影。他解释说:“我们的目标是将著名的与生产相关的工程从赛车运动引入太空应用。”

使用激光投影,制造商可以验证工具的位置,然后投影每个层的轮廓以进行铺设。“以常规的老式方式(叠层),您必须手工测量每个单层并将其定位到正确的位置,” Scheurer说。“在底盘的加固区域,这可能意味着最多定位50层。在模具周围使用六台激光投影仪,还消除了与高性能预浸料的20天使用寿命短有关的问题。

Scheurer Swiss于2016年夏季开始了该项目的工作,并于2018年底完成了任务。在此期间,RUAG建造了三种不同型号的流动站。罗莎琳德·富兰克林的最终版本是在英格兰的空中客车防御与太空公司的一家特殊清洁工厂中制造的。洁净室的结构有助于确保有机材料不会意外地带入火星,从而污染实验。然后,这辆漫游车前往法国的空中客车公司图卢兹,并在模拟的火星环境中进行了测试。

搭载罗莎琳德·富兰克林及其俄罗斯制造的下降模块的质子火箭定于明年夏天发射,而罗莎琳德·富兰克林应该在2021年春初的某个时候在火星上飞行。舒勒对复合材料在整个飞行过程中的性能预期充满信心。使命和超越。他说:“复合材料经过精心设计,可以在恶劣的环境中生存。” “一旦复合材料固化,它们将没有失效日期。”