DOW-UAP-D120: חומרים לפלטפורמות תעופה וחלל מתקדמות - מדוע אי אפשר להפריד בין בחירת החומר לתכנון הרכב

קובץ: DOW-UAP-D120_AAWSAP-DIRD-Materials-for-Advanced-Aerospace-Platforms-January-12-2010.pdf סוכנות מקור: סוכנות הביון הביטחונית (DIA), משרד ההתרעה הביטחונית (Defense Warning Office), המנהלה לניתוח; הופק במסגרת תוכנית AAWSA סוג מסמך: מסמך ייחוס מודיעיני ביטחוני (DIRD), סדרת "Acquisition Threat Support"; מספר בקרה DIA-08-0912-008 תאריך: 12 בינואר 2010 (ICOD, תאריך סגירת המידע: 1 בדצמבר 2009) סיווג: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY, כאשר הסייג "לשימוש רשמי בלבד" מחוק בקו בכל עמוד; שוחרר לציבור ב-2026 מספר עמודים: 27 VIRIN: 260918-D-D0360-1109 שחרור PURSUE: 6

תקציר

ה-DIRD הזה הוא סקירה של איש מקצוע על החומרים המבניים שדור חדש של כלי שיגור, חלליות רב-פעמיות ומנועי רקטה רב-פעמיים יזדקק להם. הוא הוכן באגף תמיכת הרכש (DWO-3) של משרד ההתרעה הביטחונית, במנהלה לניתוח של ה-DIA. המחבר מופיע בגרסה המשוחררת רק בכינוי "AAP Person 66", והערה מנהלית מפנה הערות ושאלות אל "AAP Person 1", "מנהל תוכנית AAWSA", בכתובת ה-DIA: "ATTN: CLAR/DWO-3, Bldg 6000, Washington, DC 20340-5100" (עמוד 2).

למסמך יש רעיון מארגן אחד, שמוצג במבוא וחוזר בסיכום: יש להתייחס לבחירת החומרים כחלק מהתכנון כבר מהשרטוט הראשון, ולא להוסיף אותה בדיעבד. סביב הרעיון הזה הוא עובר על כלי שיגור, על מודולי צוות רב-פעמיים, על רכב היפותטי רב-פעמי המגיע למסלול בשלב יחיד (המסמך מקצר אותו "SSO"), ועל מנועי רקטה רב-פעמיים. יש בו ארבעה איורים (שרטוט של ריתוך בחיכוך-ערבול, תצלום של מטוס 747 מותאם הפורק מקטע גוף מרוכב של בואינג 787, מיקרוגרף של "α case" על טיטניום וחתך של חומר מרוכב במטריצת טיטניום), שתי טבלאות ושש הפניות לספרי לימוד.

דבר במסמך אינו נוגע לעב"מים או ל-UAP. הוא משרת את תחומי הטכנולוגיה "חומרים" ו"תצורה ומבנה" שבמסמך יעדי התוכנית (DOW-UAP-D110), והפרק האחרון שלו נוגע גם בחומרת הנעה.

מאמר מחקר

מסמך של AAWSAP בלי האקזוטי

AAWSAP הייתה תוכנית בניהול ה-DIA (2008 עד 2012), שהקבלן שלה היה חברת Bigelow Aerospace Advanced Space Studies (BAASS) מלאס וגאס. כמה ממסמכי ה-DIRD האחים בשחרור הזה עוסקים בהנעת עיוות (warp drive), בחורי תולעת ובמסה שלילית. המסמך הזה לא. כל חומר שהוא דן בו היה בייצור או בפיתוח מתקדם כבר ב-2009, ונקודות הייחוס שלו הן מעבורת החלל, ה-SR-71, מטוסי הבואינג 777 ו-787 ומנוע ה-GE90.

על השער מופיעה הכותרת "Acquisition Threat Support" (תמיכה באיומי רכש), אך בטקסט אין הערכת איום, אין אזכור של תוכנית זרה, והמסמך אומר על היקפו שלו: "With the exception of military applications, which are outside the scope of this document, empty vehicle weight is a critical metric" (למעט יישומים צבאיים, שהם מחוץ להיקף מסמך זה, משקל הרכב הריק הוא מדד קריטי; עמוד 15). ההערה המנהלית מתארת את המסמך כאחד מ"a series of advanced technology reports produced in FY 2009" (סדרת דוחות טכנולוגיה מתקדמת שהופקו בשנת הכספים 2009); תאריך השער, 12 בינואר 2010, נופל למעשה בשנת הכספים 2010, ותאריך סגירת המידע, 1 בדצמבר 2009, מרמז שהטקסט הושלם בסוף 2009. המסמך נושא גם אזהרת זכויות יוצרים: "Further dissemination of the photographs in this publication is not authorized" (הפצה נוספת של התצלומים בפרסום זה אינה מורשית).

טיעון היסוד: חומר ותכנון יחד

המבוא (עמוד 4) נפתח בביקורת על מעבורת החלל, שתוכננה לעמוד בדרישות המשימה "without significant real-time consideration of materials capability" (ללא התחשבות משמעותית בזמן אמת ביכולות החומרים), דבר שהוביל ל"פשרות משמעותיות בשלבים מאוחרים". המחבר מוסיף: "Arguably, the shuttle could be designed as a more efficient vehicle today" (אפשר לטעון שהיום ניתן היה לתכנן את המעבורת כרכב יעיל יותר). המקרה הקיצוני הוא מטוס החלל הלאומי (National Aerospace Plane), שכונה "אוריינט אקספרס" ונועד להיות רכב תקיפה רב-פעמי במהירות מאך 12. לפי המסמך, הפרויקט נעשה במהירות "מוגבל חומרים" ובוטל ב-1993, לאחר כ-750 מיליון דולר של הוצאות מחקר ופיתוח פדרליות והשקעה פרטית ניכרת.

מכאן המרשם: כל תכנון "מדף נקי" חייב להתחיל בהערכת דרישות החומרים מול מה שהחומרים הקיימים מסוגלים לספק, ואם יש פער, יש לפתח "a risk assessment and a risk-mitigation plan" (הערכת סיכונים ותוכנית להפחתתם) לפני שמוציאים שעות הנדסה וכסף. הנושא השני של המבוא הוא המעבר מ"אפס פגמים" לסבילות נזק (damage tolerance), בזכות מכניקת השבר ושיטות בדיקה לא הורסות טובות יותר. המחבר מייחס לתוכניות שלמות המבנה של חיל האוויר האמריקאי, למטוסים (ASIP) ולמנועים (ENSIP), שיושמו החל מהמפציץ B-1 ומנועי F-100 ו-F-110, הפחתה "dramatically reduced (but not eliminated)" (דרמטית, אך לא העלמה) של כשלים קטסטרופליים (עמודים 4-5).

כלי שיגור: אלומיניום, חומרים מרוכבים וטיטניום

מאחר שכלי שיגור נשאר קריר יחסית פרט לאזור הפליטה, המסמך ממליץ על סגסוגות אלומיניום מתקדמות ועל חומרים מרוכבים במטריצה פולימרית (PMCs) בכל מקום שבו החימום האווירודינמי אינו עולה על כ-125 מעלות צלזיוס. סגסוגת 2090 המכילה ליתיום מקטינה את הצפיפות ב-8 אחוזים ומעלה את מודול האלסטיות ב-10 אחוזים (עמוד 6). סגסוגות חדשות יותר, כמו 7050 ו-2050, קשיחות יותר משום שזיהומי הברזל, הכרום, המנגן והסיליקון היוצרים "פאזות מרכיב" שבירות מופחתים כבר בשלב המטיל. ריתוך בחיכוך-ערבול (friction stir welding, איור 1), שבו כלי פלדה מסתובב מרכך את המתכת בלי להתיך אותה, מאפשר לרתך סגסוגות שריתוך היתוך מבקיע; המסמך מציין שמכל הדלק החיצוני של המעבורת כבר יוצר מסגסוגת אלומיניום-ליתיום שחוברה כך. פסק הדין: "an incremental but significant improvement" (שיפור הדרגתי אך משמעותי; עמודים 7-8).

בתחום החומרים המרוכבים המחבר עוקב אחר המעבר מזנב הבואינג 777 אל ה-787, שרוב המבנה שלו מרוכב, ומסביר מדוע משתמשים בטיטניום במקום שבו מרוכב פחמני פוגש מתכת (קורוזיה גלוונית), בדיוק כמו "the plastic bushing a plumber puts in the joint between copper and iron piping" (התותב הפלסטי ששרברב מכניס בחיבור בין צנרת נחושת לצנרת ברזל; עמוד 8). המסמך מתאר שלוש שיטות ייצור: הנחה ידנית של שכבות pre-preg, הנחת סרטים אוטומטית (איור 2) והזרקת שרף לתבנית (RTM). הוא מונה גבולות טמפרטורה של כ-125 מעלות לאפוקסי, 175 מעלות לביסמלאימידים ו-300 מעלות לפוליאימידים מסוג PMR (עמוד 11), ומזהיר מפני "דחיסה לאחר פגיעה" (compression after impact), כלומר היפרדות שכבות נסתרת שגורמים כלי שנפל או ברד. הוא מצביע גם על פער מסחרי: שרפים חדשים מגיעים מחברות הזנק קטנות הממומנות במענקי SBIR, בעוד שחברות גדולות כמו BASF, DuPont ו-GE Plastics "typically are not interested in materials with small annual sales volume" (בדרך כלל אינן מעוניינות בחומרים בעלי היקף מכירות שנתי קטן; עמודים 11-12).

מעל כ-200 מעלות צלזיוס טיטניום הוא החומר המועדף. הסגסוגת Ti-6Al-4V נמצאת בשימוש כבר יותר מ-40 שנה, וקורת כן הנחיתה של ה-777 עשויה מ-Ti-10V-2Fe-3Al, בעובי של עד 6 אינץ' במקומות מסוימים (עמוד 12). המגבלה נקבעת במספרים: סגסוגות טיטניום בטא יכולות לעבור חוזק מתיחה של 1,300 MPa, אך אז קשיחות השבר שלהן יורדת לכ-40 MPa·m^0.5, כך שבמאמץ תכנון של שני שלישים מחוזק הקצה גודל הסדק הקריטי הוא כ-4 מילימטרים בלבד, בעיה של ממש לבדיקות שטח של רכב רב-פעמי (עמוד 13).

המעבורת, קולומביה ומגן החום המתכתי

בפרק על מודולי צוות רב-פעמיים המחבר מתאר את המעבורת כ"מבנה קר" מסגסוגת אלומיניום 2219 מתחת למערכת הגנה תרמית (TPS) מבודדת: אריחים קרמיים בתחתית וחומר מרוכב פחמן-פחמן בשפות ההתקפה של הכנפיים. ואז מגיע המשפט החד ביותר במסמך: "Hindsight shows that C-CCs 'age' and lose much of their fracture toughness during repeated thermal exposure. (This loss of toughness was a prime factor in the Columbia disaster. Had a metallic heat shield that included the wing leading edges been used, this disaster arguably could have been avoided.)" (בדיעבד מתברר שחומרי פחמן-פחמן "מזדקנים" ומאבדים חלק ניכר מקשיחות השבר שלהם בחשיפה תרמית חוזרת. אובדן קשיחות זה היה גורם מרכזי באסון קולומביה. אילו נעשה שימוש במגן חום מתכתי שכלל את שפות ההתקפה של הכנפיים, אפשר לטעון שהאסון היה נמנע; עמוד 14). זו הערכה של המחבר עצמו, המסומנת במילה "arguably" (אפשר לטעון), והמסמך אינו מביא לה מקור.

המקרה ההיסטורי הוא הדאון DynaSoar, שמהנדסיו בחנו את הסגסוגת העקשנית Mo-0.5%Ti ("Moly half Ti") וסגסוגות "Columbia-based" (האיות של המסמך, וככל הנראה הכוונה לקולומביום, השם האמריקאי הישן של ניוביום), מוגנות בציפוי MoSi2 שנוצר במצע מרחף. הערת המסמך: "it is now unclear how a large structure could have been successfully coated in this manner" (כיום לא ברור כיצד ניתן היה לצפות בהצלחה מבנה גדול בדרך זו; עמודים 14-15).

טבלה 1 ועשר משפחות החומרים

עבור רכב רב-פעמי המגיע למסלול בשלב יחיד המסמך טוען שמגן תרמי ומבנה חם מתכתיים הם בלתי נמנעים, וש"every additional pound of empty weight reduces the payload by the same amount" (כל ליברה נוספת של משקל ריק מקטינה את המטען באותה מידה). הוא מוסיף שתכנון אמיתי יכול לצמוח רק מדרישות משימה מפורטות. טבלה 1 (עמוד 15) ממיינת את המועמדים לפי שלושה תחומי טמפרטורה (מטמפרטורת החדר עד 250 מעלות, 250 עד 550 מעלות, ומעל 550 מעלות) מול חמש תכונות: חוזק סגולי, קשיחות סגולית, עמידות בעייפות, קשיחות שבר ועמידות בזחילה. המסמך סופר "essentially 10 distinct classes" (למעשה 10 משפחות נפרדות; עמוד 16). עיקרי הסקירה:

• סגסוגות טיטניום ו-α case. מ-550 מעלות ומעלה טיטניום מגיב עם האוויר ויוצר שכבה פני-שטח עשירה בחמצן, קשה יותר ופחות משיכה (איור 3). "The industry standard for α case has essentially been one of zero tolerance" (תקן התעשייה ל-α case היה למעשה אפס סובלנות), והמחבר טוען שיש לבחון זאת מחדש ומונה שש שאלות פתוחות. המסמך מציין שמנהלת החומרים והייצור של חיל האוויר האמריקאי מתחילה פרויקט בנושא, על רקע הטיסה העל-קולית המהירה (היפרסונית), ומזכיר את ה-SR-71, שטס מעל מאך 3.2 במשך 34 שנה (1964 עד 1998) בטמפרטורות מעטפת של יותר מ-300 מעלות, עשוי מסגסוגת הבטא B-120 VCA (Ti-13V-11Cr-3Al), בלי בעיות α case ידועות (עמודים 18-19).
• חומרים מרוכבים במטריצת טיטניום (TMCs). טבלה 2 מציגה חוזק מתיחה של 1,902 MPa, מודול של 226 GPa וצפיפות של 4.43 גרם לסמ"ק בשבר נפחי סיבים של 0.39, כלומר יותר מפי שניים מחוזק המטריצה וקשיחותה "with no increase in density" (בלי עלייה בצפיפות; עמודים 19-20). אחר כך מגיע סיפור אזהרה בתשע נקודות: סיב הסיליקון קרביד SCS-6 יוצר רק בידי Textron Specialty Materials בלואל, מסצ'וסטס; החברה בחרה למכור רכיבים ולא סיבים; באו כשלי ניסוי בולטים; סיבי Nicalon היפניים ו-Sigma הבריטיים נאסרו לעתים בתוכניות במימון פדרלי; מחקר מאמצע שנות התשעים תמחר TMCs בכ-500 דולר לליברה (בדולרים של 1995) אם ייצרכו כ-10,000 ליברות בשנה; והעבודה נעצרה לאחר "about $500 million of U.S. government funds" (כ-500 מיליון דולר מכספי ממשלת ארה"ב). הלקח: חומרים חדשים ממעבדות "should be approached with caution and never be put on the critical path of product design" (יש לגשת אליהם בזהירות ולעולם לא להציבם בנתיב הקריטי של תכנון המוצר; עמודים 20-21).
• סגסוגות-על על בסיס ניקל. הן משמשות מעל מחצית מנקודת ההתכה שלהן בזכות משקעי Ni3Al (γ'), שחוזקם עולה עם הטמפרטורה עד כ-1,000 מעלות. סגסוגת ההתפשטות הנמוכה Inco 903 נכשלה בגלל סוג סדיקה שזכה לשם "stress-assisted grain boundary oxidation (SAGBO)" (חמצון גבולות גרעין בסיוע מאמץ), אך המחבר סבור שהמשפחה ראויה לבחינה נוספת עבור מגן תרמי (עמודים 21-23).
• מתכות עקשניות. ניוביום הוא המושך ביותר בקבוצה, אך "at 1,250 °Celsius, a breach in the coating will cause immediate, catastrophic failure" (ב-1,250 מעלות צלזיוס, פרצה בציפוי תגרום לכשל מיידי וקטסטרופלי), ולכן כלל תכנון סביר היה פוסל מתכות אלה במבנה חם קריטי (עמוד 23).
• חומרים מרוכבים במטריצה קרמית (CMCs). הסיבים מעלים את קשיחות ה-SiC-SiC עד פי 10 מזו של המטריצה החשופה, עם שירות עד כ-1,400 מעלות, אך "there currently exists no means of estimating the reduced toughness as a function of service life" (אין כיום דרך להעריך את ירידת הקשיחות כפונקציה של חיי השירות). ובכל זאת, הם טומנים בחובם את ההבטחה הגדולה ביותר לעקוף את מגבלות הטמפרטורה של המתכות (עמודים 23-24).
• פחמן-פחמן ואלומיניד טיטניום גמא. לפחמן-פחמן יש ציפוי עשיר בסיליקון המרפא את עצמו, טוב עד 1,200 מעלות אך פגיע בטמפרטורות ביניים. אלומיניד טיטניום גמא נזקק ליותר מ-30 שנה כדי להבשיל, ורק אז נכנס לשירות בלהבי טורבינת הלחץ הנמוך של GE עבור ה-787 וה-747-8, בטמפרטורות של עד כ-750 מעלות (עמודים 24-25).

מנועי רקטה רב-פעמיים: בעיית המימן

פרק ההנעה עוסק רק במנועי רקטה רב-פעמיים. משאבות הטורבו של המנוע הראשי של המעבורת מסתובבות עד 35,000 סיבובים לדקה, כשבקצה אחד טורבינה הפועלת ב"a hydrogen-rich supercritical steam environment at a maximum temperature of about 1,050 °Celsius" (סביבת קיטור על-קריטי עשירה במימן בטמפרטורה מרבית של כ-1,050 מעלות צלזיוס) ובקצה השני משאבה ב-90 קלווין (חמצן נוזלי) או ב-20 קלווין (מימן נוזלי). סגסוגות הניקל של הטורבינה אינן מתאימות היטב למימן, והמחבר מציע לנצל 25 שנות מחקר על סדיקה מושרית-מימן כדי לתכנן סגסוגת סבילה יותר. הוא גם מערער על הבחירה ב-Ti-5Al-2.5Sn למשאבה הקריוגנית: היא נבחרה לפי חוזק מתיחה עם חריץ, קריטריון שעבר בירושה מעולם הפלדות, אף שלטיטניום אין טמפרטורת מעבר משיך-שביר (עמודים 26-27). סדר העדיפויות של המסמך מפורש: תאי בעירה קלים יותר מסוג NARloy-Z (Cu-3%Ag-0.5%Zr) חשובים פחות מחומרי טורבינה עמידים למימן.

משמעות

ערכו של המסמך לתיעוד AAWSAP הוא בכך שהוא מראה עד כמה רחב היה היקף התוכנית. לצד מאמרי הפיזיקה הספקולטיביים, התוכנית הזמינה גם קו בסיס הנדסי פשוט, מן הסוג שכל מומחה לחומרי תעופה וחלל יזהה. הלקחים הקונקרטיים ביותר במסמך נוגעים לעלות ולבסיס התעשייתי ולא לפיזיקה: מטוס החלל הלאומי בעלות 750 מיליון דולר, מאמץ ה-TMC בעלות 500 מיליון דולר, והפער בין חדשנות מעבדתית לבין אספקה בהיקף ייצור.

ההסתייגויות ברורות. המחבר עצמו מודה שהמסמך עוסק בנושא "with little technical detail" (עם מעט פירוט טכני); לנתונים רבים, ובהם הקביעה על קולומביה, אין מקור ספציפי; והוא תמונת מצב של סוף 2009, כך שהתיאורים של ה-787 וה-747-8 כתובים בזמן הווה של אותה עת. המסמך אינו עוסק בחומרים אקזוטיים או חריגים (נושאים שבהם עוסקים מסמכים אחים כמו DOW-UAP-D117 על זכוכיות מתכתיות ו-DOW-UAP-D141 על מטא-חומרים), אינו נותן תחזית בשנים, ואינו מזכיר UAP כלל. כפי שמזהיר התקציר הרשמי, הוא משקף את המסגור שלו בעת כתיבתו ואינו מרמז על תיקוף עכשווי.

אנשים מרכזיים

מקומות

מושגי מפתח

ציטוטים בולטים

"In the extreme, a spectacular engineering failure was the National Aerospace Plane (also dubbed the Orient Express), which was launched as a military project and was intended to be a mach 12 reusable strike vehicle. This project rapidly became materials limited and was canceled in 1993, after about $750 million in federal R&D expenditures and a substantial private sector investment." (במקרה הקיצוני, כישלון הנדסי מרהיב היה מטוס החלל הלאומי, שכונה גם אוריינט אקספרס, שהושק כפרויקט צבאי ונועד להיות רכב תקיפה רב-פעמי במהירות מאך 12. הפרויקט נעשה במהירות מוגבל חומרים ובוטל ב-1993, לאחר כ-750 מיליון דולר של הוצאות מחקר ופיתוח פדרליות והשקעה ניכרת של המגזר הפרטי.) -- עמוד 4

"The point is that any 'clean sheet of paper design' must start with an assessment of the requirements for construction materials and be accompanied by a realistic assessment of the capability of currently available materials to meet these needs." (הנקודה היא שכל "תכנון מדף נקי" חייב להתחיל בהערכת הדרישות מחומרי הבנייה, ולהיות מלווה בהערכה מציאותית של יכולתם של החומרים הזמינים כיום לעמוד בצרכים אלה.) -- עמוד 4

"This example supports the unwritten rule that the pathways leading to high-performance, high-value structures typically are not technology dependent but are cost intensive, no matter what technology is employed to meet the requirements." (דוגמה זו תומכת בכלל הלא כתוב שלפיו הדרכים המובילות למבנים בעלי ביצועים וערך גבוהים אינן תלויות בדרך כלל בטכנולוגיה, אלא עתירות עלות, בלי קשר לטכנולוגיה שמשמשת לעמידה בדרישות.) -- עמודים 10-11

"(This loss of toughness was a prime factor in the Columbia disaster. Had a metallic heat shield that included the wing leading edges been used, this disaster arguably could have been avoided.)" (אובדן קשיחות זה היה גורם מרכזי באסון קולומביה. אילו נעשה שימוש במגן חום מתכתי שכלל את שפות ההתקפה של הכנפיים, אפשר לטעון שהאסון היה נמנע.) -- עמוד 14

"In truth, the real issue was one of quality and not the fundamental viability of the TMC material concept." (לאמיתו של דבר, הבעיה האמיתית הייתה בעיית איכות ולא בעיה ביישימות היסודית של רעיון חומר ה-TMC.) -- עמוד 21

"New material concepts originating from nonproduction sources such as national laboratories or research universities should be approached with caution and never be put on the critical path of product design." (יש לגשת בזהירות לרעיונות חומר חדשים שמקורם בגופים שאינם יצרניים, כמו מעבדות לאומיות או אוניברסיטאות מחקר, ולעולם לא להציבם בנתיב הקריטי של תכנון המוצר.) -- עמוד 21

"Nevertheless, CMCs are the material class that holds the greatest promise of defeating the temperature limits of current metals." (ועם זאת, חומרים מרוכבים קרמיים הם משפחת החומרים הטומנת בחובה את ההבטחה הגדולה ביותר לגבור על מגבלות הטמפרטורה של המתכות הנוכחיות.) -- עמוד 24

"While a lighter combustion chamber would be welcome, developing hydrogen-resistant turbine materials would be a much better use of available rocket engine alloy development resources." (אף שתא בעירה קל יותר יתקבל בברכה, פיתוח חומרי טורבינה עמידים למימן יהיה שימוש טוב בהרבה במשאבים הזמינים לפיתוח סגסוגות למנועי רקטה.) -- עמוד 27