Pared interna del módulo ISS Destiny: ¿espesor establecido por la presión atmosférica interna o por la densidad de masa necesaria para proteger contra meteoritos?

En su artículo de 2006, Christiansen et al. describir la pared del "escudo de Whipple relleno" del módulo de destino de la ISS. La capa exterior, la capa de "parachoques" del escudo de Whipple, es una capa delgada de aluminio (aleación 6061-T7). Dentro está el "relleno" (¡apropiado para una pregunta de Acción de Gracias! ;-) capas de tejido Kevlar, tejido Nextel y aislamiento multicapa (MLI). La capa más interna es otra capa de aluminio (aleación 2219-T87 para esta capa, ligeramente más densa que la 6061-T7) que sirve tanto como pared del recipiente a presión como para la capa interna del escudo Whipple. Su espesor se da como 4,8 mm.

Pregunta: para esa capa interna, ¿cuál de las dos funciones, ya sea resistir la presión atmosférica interna o proporcionar suficiente densidad de masa de área para el escudo de Whipple, establece ese espesor?

Respuestas (2)

Aunque es una pregunta anterior, solo quería decir que la respuesta anterior usa el módulo de Young incorrectamente. No se supone que esté en el cálculo de fuerza. El sigma se refiere a una fuerza máxima (mismas unidades aunque fuerza/área).

Un valor típico que podría usar es el límite elástico del material, pero también podría usar otro valor con el que el diseñador se sienta cómodo. Para aleaciones de alta resistencia debe estar en el rango de 200 MPa.

Entonces, el grosor de sus parámetros sería de 0,11 mm para la tensión tangencial y, obviamente, la mitad para la tensión axial. Para los recipientes a presión, la resistencia rara vez es el factor limitante.

El grosor se establece según los requisitos de protección de MMOD.

Cálculo simplificado del espesor de pared requerido por el recipiente a presión:

σ θ = PAG r t

σ = módulo de Young: 70 GPa
p = presión: 10 5 Pa
r = radio: 2200 mm
t = espesor

t = PAG r σ θ

t = 0,003 mm que me parece demasiado bajo. Aplique un factor de seguridad de 10 (mucho más alto que el que se usa en la práctica) y obtendrá una piel fina como el papel. Sin embargo, no he encontrado un mejor cálculo. Los tanques de la primera etapa del Falcon 9 tienen un grosor de 6 mm para una presión de 6 bares más el peso de la etapa superior + la carga útil.

Otros elementos de la ISS tienen un caparazón de presión de 1,4 mm (FGB) con escudos Whipple más gruesos en el frente. Entonces, 4,8 mm es mucho más grueso de lo necesario solo para contener la presión.

La configuración del escudo de Whipple está diseñada para proteger contra los escombros con estas especificaciones:

  • Esfera de aluminio de 1,3 mm de diámetro
  • velocidad de impacto 7 km/s

Este requisito dicta un espesor de 4,8 mm.

Regla general: a 7 km/s, la esfera de aluminio puede penetrar completamente a través de una placa de aluminio con un espesor de 4 veces el diámetro de la esfera.

Un escudo espaciado multicapa brinda una protección más efectiva contra impactos a hipervelocidad que una sola capa (espesor total del escudo <diámetro del proyectil)

El recipiente a presión se calcula utilizando la fórmula de Barlow . Pero tienes que usar un factor de diseño de alrededor de 0,4. Es necesario algún exceso de corrosión y tolerancias. La fuerza en dirección axial del cilindro está desatendida. Pero el resultado sigue siendo inferior a 1 mm. No se consideran los esfuerzos de flexión y alabeo.
Disculpe, ¿protege contra MMOD de 7 km/s ? No estoy seguro de haber entendido la parte citada, ¿qué tan grande puede ser el MMOD antes de que esta regla no se aplique? ¿Es que el escudo es más grueso que el diámetro de la esfera?
Veré si puedo encontrar una fuente que tenga cálculos más detallados.
@Hobbes Sí, hice el mismo cálculo y terminé con un grosor mínimo indicado similar (utilicé un valor ligeramente diferente para el módulo de Young de 2219-T87 que encontré en la web), pero no pude encontrar nada sobre qué factor de seguridad NASA aplica, y no podría descartar nada, aunque lo considerara absurdamente alto.
@MagicOctopusUrn Creo que la parte citada no dice que el grosor protege contra un impactador de 7 km/s, sino que una esfera de aluminio de 7 km/s penetra completamente a través de una placa de ese grosor. Puede sufrir daños en el interior incluso si el impactador no penetra en la placa (pared). A esas velocidades, la colisión lanza una onda de choque a través de la pared. Cuando esa onda de choque golpea la superficie interna de la pared, se desprenden pedazos del material de la pared, a altas velocidades, solo que más pequeños y más lentos que el impactador inicial, que luego causan daños por metralla...
@MagicOctopusUrn Un escudo Whipple tiene una segunda capa (y, a veces, más de 2), de modo que la metralla que impacta en la segunda capa no es lo suficientemente energética como para penetrarla o causar una metralla secundaria. Las paredes de ISS Destiny usan un "escudo Whipple relleno" que tiene una capa de Nextel (6 hojas unidas) y una capa de tejido Kevlar (otras 6 hojas) entre las dos paredes metálicas.
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