Data: 12/01/2010Local: Relatório preparado para a Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) da DIA, Washington, D.C., EUA
DIA, 2010: estudo do AAWSAP examina ligas e compósitos para lançadores, módulos reutilizáveis e propulsão, sem tratar de objetos anômalos
O DIRD de 27 páginas revisa ligas de alumínio, titânio e níquel, compósitos e cerâmicas para veículos lançadores, módulos tripulados reutilizáveis e motores de foguete. É uma revisão de tecnologia existente, com o ônibus espacial como referência, e não aborda objetos aéreos não identificados.
- Data do evento
- 12/01/2010
- Local
- Relatório preparado para a Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) da DIA, Washington, D.C., EUA
- Tema
- História da investigação
- Órgãos das fontes
- DOW
- Documentos
- 1 documento · 27 páginas
- Leitura
- 79 min
Capa de relatórioPágina física 1FONTES DOCUMENTAIS · DOW
O que os registros contam
Este é um estudo técnico de engenharia de materiais, não um relato de avistamento. O Defense Intelligence Reference Document (DIRD) "Materials for Advanced Aerospace Platforms", de 12 de janeiro de 2010, foi preparado pela Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) do Escritório de Alerta de Defesa, da Diretoria de Análise da Agência de Inteligência de Defesa dos EUA (DIA). A capa traz o rótulo "Acquisition Threat Support" (apoio à avaliação de ameaças de aquisição) e a data de corte de informação de 1º de dezembro de 2009. O nome do autor foi substituído por "AAP Person 66" na liberação.
A folha de rosto diz que o documento é um dos relatórios de tecnologia avançada produzidos no ano fiscal de 2009 no programa de Aplicações de Sistemas de Armas Aeroespaciais Avançados (AAWSA) do Escritório de Alerta de Defesa. O texto não explica por que o programa encomendou este relatório nem o liga a nenhuma ameaça específica: ele se apresenta apenas como parte da série. Outros relatórios do mesmo programa tratam de física especulativa, como o das cabines para voo de ruptura; este se limita a tecnologia de materiais já existente.
A introdução delimita três áreas: veículos lançadores, veículos espaciais e propulsão espacial. Ela usa o ônibus espacial como referência e o projeto National Aerospace Plane (Orient Express), cancelado em 1993 depois de cerca de 750 milhões de dólares em recursos federais, como exemplo de projeto travado pelos materiais. Defende que qualquer projeto novo comece pela avaliação dos materiais realmente disponíveis e que a tolerância a danos, e não o zero defeito, seja o princípio de projeto de estruturas complexas.
Para lançadores, o relatório compara as ligas de alumínio com lítio, a soldagem por fricção e mistura, os compósitos de fibra de carbono, usados no Boeing 787 e nas pás do motor GE90, e as ligas de titânio. Para um veículo reutilizável de um só estágio até a órbita, organiza dez classes de materiais por faixa de temperatura em uma tabela e discute cada uma: compósitos de matriz de alumínio e de titânio, superligas de níquel, metais refratários, compósitos cerâmicos e de carbono-carbono e aluminetos de titânio. A parte final trata das turbobombas dos motores de foguete.
Duas passagens mostram o tom do estudo. Sobre os compósitos de titânio com fibra de carbeto de silício, o autor relata que cerca de 500 milhões de dólares do governo foram gastos até o trabalho parar e conclui que um estudo de mercado e de custos deve preceder qualquer programa de materiais revolucionários. Sobre o desastre do Columbia, comenta que um escudo térmico metálico poderia, discutivelmente, tê-lo evitado. Essa é uma opinião do autor, apresentada como retrospectiva, e não uma conclusão de investigação citada no texto.
O horizonte é o presente e o futuro próximo da tecnologia convencional: aplicações que existem ou estão em desenvolvimento, com o ônibus espacial como régua. O documento não menciona objetos não identificados, fenômenos anômalos nem engenharia reversa. O resumo final recomenda integrar projeto, fabricação, custo e maturidade dos materiais, sem lista numerada de recomendações, e a última página traz seis obras de referência sobre metalurgia e compósitos. Para o portal, o estudo mostra a faixa de assuntos convencionais reunida nos relatórios de referência do programa.
LEITURA DIRETA DO ARQUIVO
O documento, em português
Todas as 27 páginas do documento foram traduzidas na íntegra, incluindo capa, folha de rosto, sumário, texto, tabelas e a lista de referências. Nas referências, só os elementos descritivos foram traduzidos, com a indicação de que os títulos das obras estão no original. As figuras 1 a 4 (esquema, fotografia e micrografias) não foram reproduzidas, apenas suas legendas. A página 2 traz aviso de direitos autorais sobre fotografias, e por isso só a capa entra como imagem.
TRECHO 1 · PÁGINA FÍSICA 1
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
Documento de Referência de Inteligência de Defesa
Apoio à Avaliação de Ameaças de Aquisição
12 de janeiro de 2010
ICOD: 1º de dezembro de 2009
DIA-08-0912-008
Materiais para Plataformas Aeroespaciais Avançadas
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Capa do relatório de referência da Agência de Inteligência de Defesa (DIA), datado de 12 de janeiro de 2010.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ f FQR 8FFI@Itltt tJ91! ertt I
Defense
Intelligence
Reference
Document
Acquisition Threat Support
12 January 2010
!COD: 1 December 2009
DIA-08 -0912 -008
Materials for Advanced
Aerospace Platforms
UNCLASSIFIED/ I f8R 8fFIEilAI: W6& Qtlb¥Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 1, contando a capa.
TRECHO 2 · PÁGINA FÍSICA 10
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
deixando vazios. Essa limitação dificulta o uso de muitas resinas termoplásticas que, de outro modo, são atraentes porque são recicláveis e têm vida útil de armazenamento muito mais longa que a dos termofixos (epóxis). Outra limitação, mais óbvia, da RTM é o tamanho do componente. Isso se deve em parte ao fato de que tecer pré-formas de fibra muito grandes é difícil e exige uma máquina de tecer muito grande. Exige também uma máquina de injeção grande, capaz de múltiplos pontos de injeção para garantir a infiltração completa necessária para evitar a formação de vazios.
Na prática, há vários desafios significativos associados à fabricação de grandes estruturas de PMC hoje. Entre eles, talvez os mais significativos sejam o custo de fabricação e a dificuldade de produzir componentes grandes e não axissimétricos. Grandes componentes axissimétricos que podem ser produzidos por enrolamento de fitas de pré-impregnado são claramente possíveis hoje, como demonstra a fuselagem do Boeing 787 cuja seção aparece na Figura 2. Para outras formas, como a capacidade de suportar carga dos PMCs depende da transferência das cargas impostas externamente para as fibras fortes e rígidas, as juntas que cruzam o caminho principal de carga tornam-se problemáticas. Isso acontece porque as fibras e, como consequência direta, o caminho de carga são descontínuos, exigindo ajustes locais da seção para compensar essa ineficiência estrutural local. Assim, obter o uso estruturalmente mais eficiente dos PMCs requer estruturas monolíticas com fibras contínuas. Em grandes estruturas, isso é, na melhor das hipóteses, um desafio. Mesmo na fuselagem de PMC do Boeing 787, usam-se juntas fixadas mecanicamente para ligar seções de barril adjacentes. Na fuselagem, como em qualquer vaso de pressão cilíndrico, as tensões principais são tensões circunferenciais decorrentes da pressurização durante o voo. No entanto, o compromisso na eficiência estrutural é minimizado pela orientação circunferencial das juntas. Embora essas juntas parafusadas acrescentem peso, a eficiência estrutural geral da estrutura de PMC ainda é melhor, embora consideravelmente mais cara, do que a de uma estrutura de Al reforçada longitudinal e circunferencialmente. As juntas circunferenciais também criam caminhos de trinca longitudinais descontínuos, que melhoram a tolerância a danos da estrutura. Parte do custo adicional da fuselagem de PMC decorre do uso de fixadores de liga de Ti por causa dos problemas de acoplamento galvânico que acompanhariam fixadores de Al ou de aço.
Para outras aplicações, limitadas por outras propriedades dos materiais, o sistema de PMC pode ser ajustado para otimizar o desempenho estrutural. Isso é possível porque a matriz e a fibra podem ser selecionadas independentemente. Além disso, a "arquitetura" da fibra (orientação das fibras, geometria da trama e fração volumétrica de fibra) pode variar espacialmente para otimizar a capacidade de suportar carga sob estados de tensão complexos. Por exemplo, recorrendo de novo a aplicações recentes em aeronaves comerciais, as pás do ventilador do grande turbofan de alta razão de passagem (GE90), produzido pela General Electric para o Boeing 777, são feitas de PMCs. A consideração limitante de projeto dessas pás é a resistência à colisão com pássaros. Para otimizar a resistência ao impacto dos PMCs, escolheu-se uma fibra de carbono de módulo médio e alta resistência à tração, em combinação com uma matriz epóxi tenacificada com termoplástico. Além disso, a arquitetura das fibras foi definida para otimizar a resistência à flexão sob o impacto de um pássaro. As pás do ventilador do GE90 são produzidas por laminação manual e são bastante caras. Nos mais de 10 anos em que essas pás estão em serviço, não ocorreu uma única remoção não programada de motor relacionada às pás de PMC. A tecnologia concorrente de pás de ventilador para motores da classe do B-777 é a de Ti oco, usada tanto pela Pratt & Whitney quanto pela Rolls Royce. Por todos os relatos informais, essas pás são caras. Esse exemplo sustenta a regra não escrita de que os caminhos que levam a estruturas de alto desempenho e alto valor geralmente
5
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Limites de tamanho e de juntas em estruturas de compósito; exemplo das pás de ventilador do motor GE90, citado como aplicação de PMCs.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ /POI': OPPlelAL l:ISE 8PtLY
leaving voids. This limitation makes it difficult to use many thermoplastic resins that
are otherwise attractive because they are recyclable and have much longer shelf
lives than thermosets (epoxies). Another, more obvious limitation of RTM is
component size. This is in part because weaving of very large fiber preforms is
challenging and requires a very large weaving machine. It also requires a large
injection machine capable of multiple injection sites to ensure the complete
infiltration necessary to avoid formation of voids.
In practice, there are several significant challenges associated with manufacturing large
PMC structures today. Among these, perhaps the most significant are manufacturing
cost and the difficulty associated with making large, nonaxisymmetric components.
Large axisymmetric components that can be produced by winding tows of pre-preg are
clearly possible today, as demonstrated by the Boeing 787 fuselage whose section is
shown in Figure 2. For other shapes, because the load-bearing capability of PMCs
depends on the transfer of externally imposed loads to the strong, stiff fibers, joints
that intersect the principal load path become problematic. This is because the fibers
and, as a direct consequence, the load path are discontinuous, requiring local section
size adjustments to offset this local structural inefficiency. Thus, achieving the most
structurally efficient use of PMCs requires monolithic structures with continuous fibers.
In large structures, this is at best a challenge. Even in the Boeing 787's PMC fuselage,
mechanically fastened joints are used to connect adjacent barrel sections. In the
fuselage, as in any cylindrical pressure vessel, the principal stresses are hoop stresses
stemming from pressurization during flight. However, the compromise in structural
efficiency is minimized by the circumferential orientation of the joints. Although these
bolted joints add weight, the overall structural efficiency of the PMC structure is still
better, albeit considerably more expensive, than a longitudinally and circumferentially
stiffened Al structure. The circumferential joints also create discontinuous longitudinal
crack paths that improve the structure's damage tolerance. Some of the added expense
of the PMC fuselage stems from the use of Ti alloy fasteners because of the galvanic
coupling issues that would accompany Al or steel fasteners.
For other applications, which are limited by different material properties, the PMC
system can be tailored to optimize structural performance. This is possible because
both the matrix and the fiber can be independently selected. Moreover, the fiber
"architecture" (fiber orientation, weave geometry, and fiber volume fraction) can be
varied spatially to optimize load-bearing capability under complex stress states. For
example, again drawing on recent applications in commercial aircraft, the fan blades of
the large, high-bypass-ratio turbofan engine {GE90) produced by General Electric for
the Boeing 777 are made from PMCs. The limiting design consideration for these fan
blades is resistance to bird strikes. To optimize the PMCs' impact resistance, a medium
modulus, high-tensile-strength carbon fiber was selected in combination with a
thermoplastic toughened epoxy matrix. Furthermore, the fiber architecture was set to
optimize the bending strength under the impact of a bird. The GE90 fan blades are
produced by hand layup and are quite costly to produce. In the 10-plus years that
these fan blades have been in service, not a single unscheduled engine removal related
to the PMC fan blades has occurred. The competitive fan blade technology for B-777-
class engines is hollow Ti, which is used by both Pratt & Whitney and Rolls Royce. By all
informal accounts, these blades are cost intensive. This example supports the unwritten
rule that the pathways leading to high-performance, high-value structures typically are
5
UNCLASSIFIED/ ,sroR. OFFl&IAL W&li 8PtllfConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 10, contando a capa.
TRECHO 3 · PÁGINA FÍSICA 11
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
não dependem de tecnologia, mas são intensivos em custo, qualquer que seja a tecnologia empregada para atender aos requisitos.
Uma característica adicional das estruturas de PMC, ligada à construção laminada dos componentes feitos por laminação manual ou por deposição automatizada de fitas, é sua suscetibilidade à formação de delaminações quando recebem impacto perpendicular ao plano das lâminas. Isso se deve à diferença de rigidez à flexão entre lâminas adjacentes que têm orientações unidirecionais de fibra diferentes. Essa diferença faz surgir tensões de cisalhamento que podem exceder a resistência ao cisalhamento das ligações interlaminares, causando a formação de pequenas trincas embutidas. Sob carregamento subsequente de compressão no plano, os laminados se curvam por causa das tensões de Poisson e se separam por falta de uma ligação interlaminar que os mantenha unidos. Sob cargas de compressão significativas, os laminados flambam, e isso leva à falha estrutural. Esse fenômeno, chamado de compressão após impacto, é um modo de falha insidioso porque as delaminações não são detectáveis externamente, a menos que se usem métodos de inspeção ultrassônica. Fontes desse tipo de impacto incluem ferramentas que caem, objetos estranhos (por exemplo, meteoritos) e, talvez com mais frequência, tempestades de granizo. A inspeção ultrassônica, quando exigida, é cara e demorada. Essa última preocupação, por sua vez, afeta a disponibilidade do veículo e o tempo de reposicionamento. As peças de PMC feitas por RTM costumam ter fibras de reforço na direção da espessura, de modo que as preocupações com a compressão após impacto são mínimas.
A temperatura máxima em que os PMCs podem ser usados é limitada pela suscetibilidade da matriz polimérica à degradação por oxigênio. A temperatura máxima de uso em exposição prolongada é determinada pela estabilidade termo-oxidativa (TOS) de uma resina específica. A TOS, como qualquer reação química, é determinada pelo tempo e pela temperatura. A temperatura de transição vítrea (Tg) da matriz polimérica também impõe limitações de resistência e de estabilidade dimensional, independentes dos limites de TOS. Isso vale em particular para os termoplásticos. No entanto, os limites de TOS costumam impor limites de temperatura mais baixos que a Tg se se pretende uma exposição térmica prolongada. Existem três classes ou grupos distintos de resinas, cada um com capacidade de temperatura sucessivamente maior: os epóxis convencionais e a maioria dos termoplásticos, as bismaleimidas (BMIs) e as poliimidas lineares. A primeira classe é limitada pela TOS a cerca de 125° Celsius. As BMIs podem ser usadas até cerca de 175° Celsius. As poliimidas lineares, como o grupo de formulações termofixas de polimerização in situ de reagentes monoméricos (PMR), podem ser usadas até cerca de 300° Celsius. Muitas das resinas PMR contêm o composto perigoso metilenodianilina, que exige cuidado especial no uso, incluindo roupa de proteção para limitar a exposição do pessoal (por exemplo, durante o corte de lâminas e a laminação manual). Essa exigência reduz a produtividade, acrescenta custo e cria certa preocupação de responsabilidade legal para o fabricante dos componentes de PMC. Na RTM, as BMIs e as resinas PMR costumam ter viscosidade mais alta e exigem temperaturas de injeção proporcionalmente mais altas para reduzir a viscosidade a níveis manejáveis, pelas razões discutidas antes. Novas resinas são constantemente desenvolvidas, incluindo algumas com propriedades atraentes. No entanto, muitas das fontes dessas resinas são empresas iniciantes que vivem de financiamento de pesquisa e desenvolvimento, muitas vezes na forma de projetos SBIR (Small Business Innovative Research) do governo dos EUA. Essas empresas são boas em inovar, mas muitas vezes têm experiência limitada em levar novos produtos do laboratório à produção em larga escala. Além disso, no clima econômico atual, o acesso a capital suficiente para montar capacidade em escala de produção pode ser um problema formidável para uma pequena empresa. Empresas maiores (por exemplo, BASF, DuPont, GE Plastics) normalmente não têm interesse
6
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Analisa a delaminação por impacto em compósitos e os limites de temperatura das resinas poliméricas.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED// POI': OPPlelAL l:ISE 8PtLY
not technology dependent but are cost intensive, no matter what technology is
employed to meet the requirements.
An additional characteristic of PMC structures-one related to the laminated
construction of components made by hand layup or automated tow placement
methods-is their susceptibility to formation of delaminations when impacted
perpendicular to the plane of the plies. This is due to the mismatch in bending stiffness
between adjacent plies that have different unidirectional fiber orientations. This
mismatch causes shear stresses to develop that can exceed the shear strength of the
interlaminate bonds, causing small, embedded cracks to form. Under subsequent
inplane compression loading, the laminates bow because of the Poisson stresses and
separate because of the lack of an interlaminar bond to hold them together. In
significant compression loads, the laminates buckle, and this leads to structural failure.
This phenomenon, called compression after impact, is an insidious failure mode because
the delaminations are not externally detectable unless ultrasonic inspection methods
are used. Sources of such an impact include dropped tools, foreign objects (for
example, meteorites), and, perhaps most commonly, hail storms. Ultrasonic inspection,
if required, is expensive and time consuming. The latter concern in turn affects vehicle
availability and turnaround time. PMC parts made using RTM typically have reinforcing
fibers in the through-thickness direction, so concerns about compression after impact
are minimal.
The maximum temperature at which PMCs can be used is limited by PMCs' susceptibility
to oxygen degradation of the polymeric matrix. The maximum-use temperature for
prolonged exposure is determined by the thermal oxidative stabil ity (TOS) of a
particular resin. The TOS, like any chemical reaction, is determined by both time and
temperature . The glass transition temperature (T9) of the polymeric matrix also
imposes strength and dimensional stability limitations independent of the TOS lim its.
This is particularly true for thermoplastics. However, the TOS limits usually impose
lower temperature limits than T9 if prolonged thermal exposure is contemplated. Three
distinct classes or groups of resins exist, each with a successively higher temperature
capability. These are conventional epoxies and most thermal plastics, bismaleimides
(BMis), and linear polyimides. The first class is limited by TOS to about 125° Celsius.
BMis can be used to about 175° Celsius. Linear polyimides, such as the in situ
polymerization of monomer reactants (PMR) group of thermosetting formulations, can
be used to about 300° Celsius. Many of the PMR resins contain the hazardous
compound methylenedianiline, which requires special care during use, including
protect ive clothing to limit personnel exposure (for example, during ply cutting and
hand layup). This requirement reduces productivity, adds cost, and creates a degree of
liability concern for the manufacturer of the PMC components. For RTM, the BMis and
PMR resins typically have higher viscosity and require commensurately higher injection
temperatures to reduce the viscosity to manageable levels for reasons discussed
earlier. New resins are constantly being developed, including some with attractive
properties. However, many of the sources of these resins are startup companies that
exist on R&D fund ing, often in the form of U.S. government SBIR (Small Business
Innovative Research) projects. Such companies are good at innovation but often have
lim ited experience transitioning new products from the laboratory to large -scale
production. Furthermore, in the current economic climate, access to suff icient capital to
set up production-scale capacity can be a form idable problem for a small company.
Larger companies (for example, BASF, DuPont, GE Plastics) typically are not in terested
6
UNCLASSIFIED/ .{FOR OFFICilAL l:ISE 8HLYConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 11, contando a capa.
TRECHO 4 · PÁGINA FÍSICA 12
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
em materiais de pequeno volume anual de vendas, de modo que até licenciar o novo material a uma dessas empresas pode não ser comercialmente viável.
A discussão acima destaca uma inconsistência frequente entre inovação técnica e progresso comercial. Enquanto não existir uma fonte em escala de produção, o preço de materiais novos é, na melhor das hipóteses, muito incerto e potencialmente instável ao longo do tempo. Isso se deve em parte à incerteza sobre a demanda e o volume associado de material que será necessário. Em conjunto, esses fatores atuam como um claro desestímulo à adoção de novos materiais de literalmente todas as classes (polímeros, metais e cerâmicas).
Para estruturas muito carregadas ou que sofrerão temperaturas acima de cerca de 200 °Celsius, as ligas de Ti são a classe de material preferida. As ligas de Ti têm cerca de metade da densidade do aço ou das ligas à base de Ni e possuem resistência e rigidez, corrigidas pela densidade, competitivas com as de outros materiais metálicos. Numerosos graus de ligas de Ti estão em uso hoje, e existe uma forte base industrial doméstica de fornecedores para quase todos esses graus. As ligas de Ti para aplicações estruturais podem ser divididas em três grupos com base em sua metalurgia: ligas quase alfa (α), ligas alfa+beta (α+β) e ligas beta metaestáveis (comumente chamadas de ligas β, para abreviar). Tanto os fabricantes originais de aeronaves e de propulsão quanto várias empresas privadas de engenharia têm ampla experiência de projeto com ligas de Ti. Embora a maior parte dessa experiência seja com Ti-6Al-4V (Ti-6-4), outras ligas também são muito usadas, em particular em motores a jato e em motores de foguete a combustível líquido. A liga com maior probabilidade de ser usada em um veículo lançador, a Ti-6-4, está disponível e em uso há mais de 40 anos, mas continua muito competitiva com os graus mais novos em grande parte por causa de sua versatilidade. Aplicações potenciais de outras ligas com características particularmente atraentes, como maior capacidade de temperatura, são discutidas nas seções Veículo de Reentrada Reutilizável e Sistemas de Propulsão deste documento.
O grau estrutural de liga de Ti mais usado hoje, o Ti-6-4, pode ser facilmente soldado por fusão, conformado tanto por forjamento quanto como produto em chapa, e usinado de forma convencional, embora cada uma dessas operações exija cuidados especiais. Além disso, já foi demonstrada a viabilidade da soldagem por fricção e mistura. O Ti-6-4 também pode ser conformado superplasticamente e ligado por difusão, o que permite sintetizar componentes de formas inovadoras. Para veículos lançadores, a aplicação mais provável das ligas de Ti é na estrutura que transmite as reações do sistema de propulsão ao próprio veículo. Essas aplicações costumam envolver seções pesadas para acomodar as grandes cargas, e os principais requisitos de propriedade são alta resistência, resistência à fadiga e tenacidade à fratura. Ligas de Ti têm sido usadas tanto em aeronaves militares quanto comerciais. Componentes muito carregados em serviço hoje incluem a caixa de asa do bombardeiro B-1B (Ti-6-4), a viga do trem de pouso do B-747 (Ti-6-4) e a viga do truque do trem de pouso do B-777 (Ti-10V-2Fe-3Al [Ti-10-2-3], de maior resistência). A escolha do Ti-10-2-3 para a viga do truque do trem de pouso reflete a maturação ao longo do tempo das ligas β de Ti mais novas, como o Ti-10-2-3. Essas ligas têm a vantagem de serem "de têmpera profunda": em comparação com o Ti-6-4, podem desenvolver plena resistência em seções mais espessas durante o tratamento térmico. Por exemplo, o fato de a viga do truque do B-777 ter até 6 polegadas (cerca de 15 cm) de espessura em alguns pontos pesou significativamente na escolha do Ti-10-2-3. Como as ligas de Ti têm cerca de metade da densidade do aço, são muito competitivas em base corrigida pela densidade. No entanto, a massa não é o único fator em algumas aplicações; o volume de um componente também precisa ser compatível com o espaço disponível para ele. Esse fator também foi considerado na escolha do Ti-10-2-3 para a viga do truque do B-777. E também se aplica a uma aplicação como o trem de pouso, porque ele é recolhido na fuselagem por razões aerodinâmicas.
7
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Custo e maturidade comercial como barreiras à adoção de novos materiais; início da discussão sobre ligas de titânio para estruturas muito carregadas.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED// POI\ OPPICl"L U.!I! Oflt I
in materials with small annual sales volume, so even licensing the new material to one
of these companies may not be commercially feasible .
This foregoing discussion highlights a commonly encountered inconsistency between
technical innovation and commercial progress. Until a production-scale source exists,
pricing of new materials is at best highly uncertain and potentially unstable over time.
This is in part due to the uncertainty surrounding demand and the associated volume of
material that will be required. Taken together, these factors act as a clear deterrent to
the adoption of new materials of literally all classes (polymers, metals, and ceramics).
For heavily loaded structures or structures that will experience temperatures higher
than about 200 °Celsius, Ti alloys are the preferred material class. Ti alloys are about
half as dense as steel or Ni-base alloys and possess a density-corrected strength and
stiffness competitive with that of other metallic materials. Numerous grades of Ti alloys
are in use today, and a strong domestic industrial base of suppliers exists for nearly all
these grades . Ti alloys for structural applications can be divided into three groups based
on their metallurgy: near a alloys, a+p alloys, and metastable p alloys (commonly called
p alloys for short) . Both the aircraft and propulsion original equipment manufacturers
and several private engineering firms have extensive design experience with Ti alloys.
Although most of this experience is with Ti-6Al-4V (Ti-6-4 ), other alloys also are widely
used, particularly in jet engines and liquid-fueled rocket engines. The alloy most likely
to be used in a launch vehicle, Ti-6-4, has been available and in use for more than 40
years but is still highly competitive with newer grades in large part because of its
versatility. Potential applications of other alloys that have particularly attractive
characteristics, such as a higher temperature capability, are discussed in the Reusable
Reentry Vehicle and Propulsion Systems sections of this document.
The most commonly used structural grade of Ti alloy today, Ti-6-4, can be readily
fusion welded, formed both by forging and as a sheet product, and conventionally
machined, although each of these operations requires special precautions. In addition,
the feasibility of friction stir weld ing has been demonstrated. Ti-6-4 also can be
superplastically formed and diffusion bonded, enabling synthesis of innovative ly shaped
components. For launch vehicles, the most likely application for Ti alloys is in the
structure that carries the reactions from the propulsion system to the vehicle itself.
These applications typically involve heavy sections to accommodate the large loads,
and the main property requirements are high strength, fatigue resistance, and fracture
toughness. Ti alloys have been used in both military and commercial aircralt. Heavily
loaded components in service today include the wing box of the B-1B bomber (Ti-6-4),
the landing gear beam in the B-747 (Ti-6-4), and the landing gear truck beam in the B-
777 (higher strength Ti-10V-2Fe-3AI [Ti-10-2-3]). The choice of Ti-10-2-3 for the
landing gear truck beam reflects the time-based maturation of the newer p-Ti alloys,
such as Ti-10-2-3. These alloys have the advantage of being "deep hardenable"
compared with Ti-6-4, they can develop full strength in thicker sections during heat
treatment . For example, that the B-777's truck beam is up to 6 inches thick in some
locations factored significantly in the choice of Ti-10-2-3. Because Ti alloys are about
half as dense as steel, they are very competitive on a density-corrected basis. However,
mass is not the only driver for some applications; the volume of a component also must
be compatible with the space available for it. This factor also is a considerat ion in the
choice ofTi -10-2-3 for the B-777 truck beam. And it also applies to an application such
as landing gear, because it is retracted into the fuselage for aerodynamic reasons.
7
UNCLASSIFIED/ f FOR. OFFl&IAI:: W&li &Ptl::lfConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 12, contando a capa.
TRECHO 5 · PÁGINA FÍSICA 13
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
As ligas β de Ti seriam uma opção atraente para um veículo lançador com carga útil muito pesada. Essas ligas podem ser processadas e tratadas termicamente para resistências à tração máximas superiores a 1.300 megapascais (MPa), o que as torna ligas estruturais muito eficientes. No entanto, com esses níveis de resistência, a tenacidade à fratura cai para cerca de 40 MPa·m^0,5, tornando a tolerância a danos marginal. Por exemplo, usando uma tensão de projeto igual a dois terços da resistência à tração máxima, o tamanho crítico de trinca para uma liga com essas propriedades é de cerca de 4 milímetros. Um tamanho crítico de trinca tão pequeno representa um desafio para quaisquer inspeções de campo exigidas pelos requisitos de reutilização. A rigidez das ligas β de Ti também é até 10 por cento menor que a das ligas α+β. Uma rigidez 10 por cento menor geralmente não é um problema em uma estrutura carregada em tração, mas pode ser um problema em uma estrutura carregada em compressão, por causa do potencial de flambagem. Projetos com maior módulo de seção podem eliminar essa preocupação, mas a complexidade adicional de forma quase certamente acrescentará custo. Em circunstâncias extremas, as ligas de Ti podem ser reforçadas com fibras cerâmicas (tipicamente de carbeto de silício) para aumentar sua rigidez intrínseca, como será discutido adiante.
As ligas de Ti são reativas quando expostas ao ar a temperaturas de 550 °Celsius ou mais. Consequentemente, quaisquer operações de fabricação que excedam esse limite de temperatura devem ser realizadas em atmosfera protetora de gás argônio (Ar) ou hélio (He). Uma exceção ocorre no forjamento, se for deixado material em excesso suficiente na peça bruta forjada para conter a camada contaminada por oxigênio, de modo que ela possa ser removida por usinagem na usinagem final do componente acabado. Como lidar com essa reatividade é bem compreendido, e não causa preocupação além dos custos adicionais associados ao material excedente e à usinagem adicional. Em outras operações, como a soldagem, o uso de dispositivos especialmente projetados com gás de proteção inerte também elimina com eficácia as preocupações com a contaminação por oxigênio. Em aplicações de conformação a quente, a peça conformada é normalmente submetida a usinagem química para remover a camada superficial rica em oxigênio, porque essa camada costuma ter menor ductilidade e pode causar trincas por fadiga em serviço. A prática de eliminar todo o material contaminado por oxigênio serviu bem à indústria aeroespacial ao longo dos anos, mas é bastante conservadora e restritiva. Esse assunto é discutido com mais detalhes na seção Veículo de Reentrada Reutilizável deste documento.
Em resumo, embora as escolhas de materiais para veículos lançadores sejam, em princípio, numerosas, na prática essas escolhas são reduzidas por uma variedade de considerações específicas de cada aplicação, que incluem a capacidade de fabricação de componentes grandes e o custo de fabricação. A discussão acima procurou examinar as perspectivas das ligas de Al avançadas, dos PMCs e das ligas de Ti à luz dessas restrições práticas percebidas. Caso a caso, uma variedade de requisitos é imposta pelas restrições de projeto, que alguns materiais atendem mais facilmente que outros. Em todos os casos, a discussão das opções de materiais disponíveis foi limitada pela suposição de que as temperaturas máximas de serviço seriam relativamente baixas. Consequentemente, as classes de materiais aqui discutidas destinam-se todas a uso em temperaturas relativamente baixas. O caso à parte de um veículo reutilizável de um só estágio até a órbita, em que os requisitos de temperatura de operação são consideravelmente mais altos, é discutido em uma seção posterior deste documento.
Em última análise, os materiais são selecionados para otimizar o desempenho estrutural, e uma abordagem coordenada de seleção de materiais e projeto geométrico é essencial para isso. No futuro, é necessário um projeto que use um processo de síntese tratando forma, encaixe, função e capacidade dos materiais como restrições de igual peso, para alcançar a verdadeira eficiência estrutural ótima.
8
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Ligas beta de titânio, reatividade do titânio ao ar em alta temperatura e conclusão do capítulo sobre veículos lançadores.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ JFOR OFFICIAL USE 014[ I
13-Ti alloys would be an attractive option for a launch vehicle with a very heavy payload.
These alloys can be processed and heat-treated to ultimate tensile strengths greater
than 1,300 mega-Pascals (MPa), making them very efficient structural alloys. However,
at these strength levels, the fracture toughness is decreased to about 40 MPa-m0 •5 ,
making damage tolerance marginal. For example, using a design stress that is two
thirds that of ultimate tensile strength, the critical crack size for an alloy with these
properties is about 4 millimeters. Such a small critical crack size poses a challenge to
any required field inspections associated with reusability requ irements. p-Ti alloys'
stiffness also is as much as 10 percent lower than that of a+J3 alloys. Ten percent lower
stiffness generally is not an issue in a tension-loaded structure, but it can be an issue
for a compression-loaded structure because of the potential for buckling. Designs with a
higher section modulus can eliminate this concern, but the additional shape complexity
will almost certainly add cost. In extreme circumstances, Ti alloys can be reinforced
with ceramic fibers (typically silicon carbide) to increase their intrinsic stiffness, as will
be discussed later.
Ti alloys are reactive when exposed to air at temperatures of 550 °Celsius or above.
Consequently, any manufacturing operations that exceed this temperature limit must
be performed in a protective atmosphere of argon (Ar) or helium (He) gas. An
exception occurs during forging if enough excess material is left on the raw forging to
conta in the oxygen -contaminated layer so it can be machined away during the final
machining of the finished component. How to deal with this reactivity issue is well
understood, and it poses no concern other than the additional costs associated with the
excess material and additional machining. In other operations, such as welding, use of
specially designed fixtures incorporating inert shielding gas also effectively eliminates
concerns about oxygen contamination. In hot-forming applications, the as-formed part
is typically chemically milled to remove the oxygen-rich surface layer because this layer
typically has lower ductility and can cause fatigue crack ing in service. The practice of
eliminating all oxygen-contaminated material has served the aerospace industry well
over the years but is quite conservative and restrictive. This matter is discussed in
greater detail in the Reusable Reentry Vehicle section of th is document.
In summary, although the choices of materials for launch vehicles are in principle
numerous, in practice these choices are reduced by a variety of application-specific
considerations that include manufacturing capability for large components and
manufacturing cost. The foregoing discussion has attempted to examine the prospects
for advanced Al alloys, PMCs, and Ti alloys in light of these perceived practical
constraints. On a case-by-case basis, a variety of requirements are imposed by design
constraints, which some materials meet more readily than others. In all cases,
discussion of available material options was constrained by the assumption that the
maximum service temperatures would be relatively low. Consequently, the material
classes discussed here are all intended for relatively low-temperature use. The separate
case of a reusable single-stage-to-orbit vehicle, where operating temperature
requirements are considerably higher, is discussed in a later section of this document.
Ultimately, materials are selected to optimize structural performance, and a coordinated
approach of materials selection and geometric design is essential to this. Going forward,
a design using a synthesis process that treats form, fit, function, and materials
capability as equal constraints is needed to achieve true optimum structural efficiency.
8
UNCLASSIFIED/ /570A OFFl&IAk W&E 8HL\«Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 13, contando a capa.
TRECHO 6 · PÁGINA FÍSICA 14
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
MÓDULOS TRIPULADOS REUTILIZÁVEIS
O conceito de módulos orbitais tripulados evoluiu das cápsulas Mercury para os programas Gemini e Apollo e para o ônibus espacial, o primeiro módulo de tripulação totalmente reutilizável. O ônibus espacial também tem um compartimento de carga combinado, usado para transportar satélites à órbita e equipamentos para o desenvolvimento da Estação Espacial Internacional, além de para reparar e recondicionar o telescópio Hubble, entre outros usos. A natureza reutilizável do módulo de tripulação do ônibus espacial trouxe vários desafios de projeto e de seleção de materiais. Talvez o principal deles seja a exigência de um sistema de proteção térmica (TPS) que protegesse a tripulação durante a reentrada e também minimizasse as necessidades de recondicionamento da própria espaçonave entre missões. Nos primeiros tempos do programa de desenvolvimento do ônibus espacial, houve muito interesse inicial em um TPS metálico, porque ele parecia atender melhor às necessidades do programa. No final, porém, foram usados ladrilhos cerâmicos na parte inferior e compósitos de carbono-carbono (C-CCs) nos bordos de ataque das asas. O próprio projeto do ônibus espacial pode, portanto, ser caracterizado como uma "estrutura fria" com um TPS isolante. Por exemplo, grande parte da estrutura portante do ônibus espacial é feita da liga de Al 2219, em parte porque ela pode ser soldada por fusão e em parte porque conserva sua resistência em temperaturas moderadamente elevadas melhor do que outras ligas de Al de alta resistência. As necessidades de recondicionamento dos ladrilhos cerâmicos do ônibus espacial após cada voo são, segundo se diz, consideráveis e aumentam com a idade do veículo. Os bordos de ataque de C-CC das asas basicamente não são reparáveis, mas exigem escrutínio. Em retrospecto, vê-se que os C-CCs "envelhecem" e perdem boa parte de sua tenacidade à fratura durante exposições térmicas repetidas. (Essa perda de tenacidade foi um fator principal no desastre do Columbia. Se tivesse sido usado um escudo térmico metálico que incluísse os bordos de ataque das asas, esse desastre poderia, discutivelmente, ter sido evitado.) Se a discussão sobre um TPS metálico fosse feita hoje, o resultado talvez não fosse muito diferente. Certamente qualquer consideração séria de um veículo reutilizável de um só estágio até a órbita hoje precisaria reabrir a discussão sobre um TPS metálico. Os desafios e as oportunidades associados a um TPS metálico são discutidos adiante.
A eficiência de projeto de um TPS integrado à estrutura portante é extremamente atraente. Um projeto assim requer a disponibilidade de ligas de alta temperatura que também tenham boa resistência nas temperaturas moderadas, para suportar as cargas aerodinâmicas e vibracionais encontradas durante o lançamento e a inserção em órbita. Qualquer liga atraente também deve ter resistência intrínseca razoável à oxidação nas temperaturas de reentrada e deve poder ser fabricada em chapas finas a custo razoável. Atender a esses vários requisitos em combinação torna-se bastante assustador. Programas anteriores, como o planador reutilizável de reentrada DynaSoar, dedicaram tempo e recursos consideráveis a examinar o uso de ligas refratárias, como Mo-0,5%Ti ("moly meio Ti") e várias ligas à base de colúmbio (nióbio), para o TPS e parte da estrutura quente. Todas as ligas de metais refratários são endurecidas por solução sólida e, consequentemente, têm resistências relativamente baixas à temperatura ambiente. Também são bastante densas, o que torna a resistência corrigida pela densidade ainda menos atraente. Metais refratários e suas ligas reagem extensamente quando expostos ao ar em temperaturas elevadas. Portanto, mesmo que as limitações de propriedades mecânicas pudessem ser superadas, qualquer estrutura quente exigiria um revestimento protetor resistente à oxidação. No caso do programa DynaSoar, os cientistas investigaram extensamente um revestimento de conversão de superfície de MoSi2, formado pela reação da liga moly meio Ti com pó de Si em um leito fluidizado de alta temperatura. Com o benefício da retrospectiva, hoje não está claro como uma estrutura grande poderia ter sido revestida com sucesso dessa maneira. Isso vale em particular quando se considera a natureza frágil do MoSi2 à luz
9
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Início do capítulo sobre módulos tripulados reutilizáveis: proteção térmica do ônibus espacial, comentário do autor sobre o desastre do Columbia e o programa DynaSoar.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ /FOR 8FFI@IAL l:l!H! 8HL'I
REUSABLE CREW MODULES
The concept of manned orbital crew modules has evolved from the Mercury capsules to
the Gemini and Apollo programs to the space shuttle, the first fully reusable crew
module. The shuttle also has a combined payload bay used for transporting satellites
into orbit and hardware for developing the International Space Station and for repairing
and refurbishing the Hubble telescope, among other uses. The reusable nature of the
shuttle crew module introduced a number of design and materials selection challenges .
Perhaps foremost among these is the requirement for a thermal protection system
(TPS) that would protect the crew during reentry and also minimize the intermission
refurbishment requirements of the spacecraft itself. During the early days of the shuttle
development program, there was much initial interest in a metallic TPS because it
appeared to better meet the program's needs. Ultimately, however, ceramic tiles were
used on the underbody and carbon-carbon composites (C-CCs) were used on the
leading edges of the wings. The shuttle design itself can therefore be characterized as a
"cold structure" with an insulating TPS. For example, much of the shuttle load-bearing
structure is made of the Al alloy 2219, in part because it is fusion weldable and in part
because it retains its strength at moderately elevated temperatures better than other
high-strength Al alloys can. The refurbishment needs of the ceramic shuttle tiles after
each flight reputedly are considerable and increase with vehicle age. The C-CC wing
leading edges are basically not repairable but require scrutiny. 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.) If the discussion of a metallic TPS were held today, the outcome
might not be much different. Certainly any serious consideration of a reusable single
stage-to-orbit vehicle today would need to reopen the discussion of a metallic TPS. The
challenges and opportunities associated with a metallic TPS are discussed later.
The design efficiency of an integrated TPS and load-bearing structure is extremely
attractive. Such a design requires availability of high-temperature alloys that also have
good strength at the moderate temperatures to withstand t he aerodynamic and
vibrational loads encountered during launch and orbital insertion. Any attractive alloy
also must have reasonable intr insic resistance to oxidation at the reentry temperatures
and should be capable of being fabricated into sheet gauges at reasonable cost.
Meeting these various requirements in combination becomes quite daunting. Earlier
programs such as the DynaSoar reusab le reentry glider devoted considerable time and
resources to examining the use of refractory alloys such as Mo-0.5%Ti (Moly half Ti)
and several Columb ia-based alloys for the TPS and some hot structure. All the
refractory metal alloys are solid solution strengthened and, consequently, have
relatively low ambient temperature strengths . They also are quite dense, making the
density-corrected strength even less attractive. Refractory metals and their alloys react
extensively when exposed to air at elevated temperatures. Therefore, even if the
mechanical property limitations could be overcome, any hot structure would require an
oxidation-resistant protective coating. In the case of the DynaSoar program, scientists
extensively investigated a surface conversion coating of MoSi2 formed by reacting the
Moly half-Ti alloy with Si powder in a high-temperature fluidized bed. With the benefit
of hindsight, it is now unclear how a large structure could have been successfully
coated in this manner. This is particularly true when the brittle nature of MoSii is
9
UNCLASSIFIED/ 6FOA. OFFICI0L Pili 011! X •Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 14, contando a capa.
TRECHO 7 · PÁGINA FÍSICA 15
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
das tensões térmicas que certamente se desenvolveriam em uma estrutura grande colocada no leito fluidizado.
Veículos reutilizáveis de um só estágio até a órbita
Um veículo reutilizável de um só estágio até a órbita (SSO) exigirá materiais metálicos para o TPS e para boa parte do restante da estrutura quente. Isso será desafiador do ponto de vista do peso vazio do veículo. Com exceção das aplicações militares, que estão fora do alcance deste documento, o peso vazio do veículo é uma métrica crítica, porque cada libra adicional de peso vazio reduz a carga útil na mesma quantidade (supondo uma capacidade de propulsão fixa). Como mencionado antes, a chave para um veículo leve é o uso de métodos de projeto que integrem o TPS e a estrutura portante para minimizar a redundância estrutural e a estrutura de função única (por exemplo, um TPS que não suporta carga). Alcançar esse objetivo exigirá novos paradigmas de projeto que incorporem a verdadeira síntese de novos conceitos estruturais. Na realidade, esses projetos só podem ser concluídos se se basearem em um conjunto detalhado de requisitos de missão, incluindo o número de missões e as expectativas de tempo de reposicionamento entre missões. Além disso, são necessários parâmetros operacionais, como o valor de inserir uma libra de carga útil em órbita, para delimitar o custo do veículo inicial e o custo de manutenção por missão (traduzido em custo por libra de carga útil). Na ausência desses dados específicos, a seguir discutem-se possibilidades de sistemas de materiais que podem viabilizar um veículo SSO reutilizável. Talvez seja mais eficiente discutir esses materiais de acordo com sua principal capacidade e com o regime de temperatura previsto em que podem ser usados com mais proveito. Esse método de categorização está ilustrado na Tabela 1.
Tabela 1. Materiais potenciais por faixa de temperatura de uso e propriedade
Faixa de temperatura: Ambiente até 250 °C
Resistência específica: PMCs; ligas de Al avançadas; AMCs*; ligas de Ti; TMCs*
Rigidez específica: PMCs; AMCs; TMCs
Resistência à fadiga: PMCs; AMCs; ligas de Ti; TMCs
Tenacidade à fratura: PMCs; ligas de Ti
Resistência à fluência: ligas de Ti; TMCs
Faixa de temperatura: 250 °C até 550 °C
Resistência específica: ligas de Ti; TMCs
Rigidez específica: TMCs
Resistência à fadiga: ligas de Ti; TMCs
Tenacidade à fratura: ligas de Ti
Resistência à fluência: ligas de Ti; TMCs
Faixa de temperatura: acima de 550 °C
Resistência específica: ligas à base de Ni; aluminetos de Ti; ligas de metais refratários; CMCs*; C-CCs*
Rigidez específica: aluminetos de Ti; CMCs; C-CCs
Resistência à fadiga: ligas à base de Ni; ligas de metais refratários
Tenacidade à fratura: ligas à base de Ni; CMCs; ligas de metais refratários
Resistência à fluência: ligas à base de Ni; aluminetos de Ti; CMCs; ligas de metais refratários; C-CCs
AMCs = compósitos de matriz de Al; TMCs = compósitos de matriz de titânio; CMCs = compósitos de matriz cerâmica; C-CCs = compósitos de carbono-carbono
10
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Início da seção sobre veículos reutilizáveis de um só estágio até a órbita; a Tabela 1 relaciona classes de materiais por faixa de temperatura e propriedade.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ /Pelt OfFI61Ak WIiii ,u1L¥
considered in light of the thermal stresses that were certain to develop in a large
structure placed in the fluidized bed.
Reusable Single-Stage -to-Orbit Vehicles
A reusable single-stage-to-orbit (SSO) vehicle will require metallic mate rials for the TPS
and for much of the other hot structure. This will be challenging from the standpoint of
an empty vehicle weight. With the exception of military applications, which are outside
the scope of this document, empty vehicle weight is a critical metric because every
additional pound of empty weight reduces the payload by the same amount (assuming
a fixed propulsion capability). As mentioned earlier, the key to a lightweight vehicle is
the use of design methods that integrate the TPS and the load-bearing structure to
minimize structural redundancy and single-function structure (for example, a TPS that
is not load bearing). Achieving this goal will require new design paradigms that
incorporate true synthesis of new structural concepts. In reality, such designs can be
completed only if they are based on a detailed set of mission requirements, including
the number of missions and expectations for turnaround time between missions.
Furthermore, operational parameters such as the value of inserting a pound of payload
into orbit are needed to bound the cost of the initial vehicle and the maintenance cost
per mission (translated into cost per pound of payload). Absent such specific data, the
following discusses possibilities for materials systems that can enable a reusable SSO
vehicle. It is perhaps more efficient to discuss these materials according to their
principal capability and the anticipated temperature regime in which they can be used
most productively. This categorization method is illustrated in Table 1.
Table 1. Potential Materials by Use Temperature Regime and Property
Temperature Specific Specific Fatigue Fracture Creep
Regime Strength Stiffness Resistance Toughness Resistance
PMCs;
Ambient up to
250 °C
Advanced Al
alloys;
AMCs* ;
Ti alloys;
PMCs;
AMCs;
TMCs
PMCs;
AMCs;
Ti Alloys;
TMCs
PMCs;
Ti alloys
Ti alloys;
TMCs
TMCs *
250 °Cup to
550 °C
Ti alloys;
TMCs TMCs Ti alloys;
TMCs Ti alloys Ti alloys;
TMCs
Above 550 °C
Ni-base
alloys;
Ti
aluminides;
Refractory
metal
alloys;
CMCs* ;
C-C Cs*
Ti
aluminides;
CMCs;
c-ccs
Ni-base
alloys;
Refractory
metal alloys
Ni-base
alloys;
CMCs;
Refractory
metal alloys
Ni-base
alloys;
Ti
aluminides;
CMCs;
Refractory
metal
alloys;
C-C Cs
AMCs = Al matr ix composites; TMCs = titanium matrix composites; CMCs = ceramic matrix composites; C-CCs =
carbon-carbon composites
10
UNCLASSIFIED/ /FOR. OFFl&IAk WIiii &PtklfConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 15, contando a capa.
TRECHO 8 · PÁGINA FÍSICA 16
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
A Tabela 1 mostra que há essencialmente 10 classes distintas de materiais candidatos para uso em um veículo SSO reutilizável. Sua utilidade para aplicações e componentes específicos depende do regime de temperatura de operação e da propriedade do material que limita o projeto. Alguns antecedentes e características de cada um desses materiais são descritos nesta seção. Aplicações de alguns desses materiais já foram abordadas, de modo que a discussão aqui se limita às aplicações para um veículo SSO reutilizável.
Ligas de Al avançadas
Essa classe de materiais é limitada por sua capacidade de temperatura porque, mesmo que usada em uma estrutura embutida, o refluxo térmico da estrutura externa quente pode levar ao amolecimento em tempo real ou pela média durante exposição prolongada (isto é, depois de várias missões). Cientistas trabalharam no desenvolvimento de ligas de Al de metalurgia do pó para alta temperatura, principalmente ligas contendo Fe, cobalto (Co) e cério (Ce), ou Mn e Si. Essas ligas não são produzidas rotineiramente hoje por falta de demanda, decorrente em parte de seu custo e de sua relativa falta de maturidade, avaliada pela alta variabilidade das propriedades mecânicas entre lotes de material. Consequentemente, a principal aplicação das ligas de Al é no próprio compartimento da tripulação, onde as temperaturas devem ser mantidas em níveis toleráveis para os ocupantes humanos. As ligas de Al têm rigidez marginal, mesmo em base corrigida pela densidade. No entanto, o uso de painéis fabricados com faces de Al e um núcleo leve pode minimizar essa limitação. Esses painéis têm alto módulo de seção, o que aumenta a rigidez estrutural sem acrescentar muito peso. Usos anteriores de núcleos de favo de mel fenólico tiveram sucesso apenas limitado, por causa da tendência do núcleo de absorver água do ambiente se houvesse uma violação da face ou da ligação entre a face e o núcleo. Hoje, a construção em sanduíche de favo de mel fenólico com Al é impopular entre projetistas de aeronaves e de espaçonaves por causa dessa experiência anterior desfavorável. No entanto, uma nova possibilidade para estruturas leves e rígidas, faces de Al com núcleo de liga de Al espumada, merece consideração. Progresso considerável na fabricação de espumas de Al e de outros metais com densidade uniforme foi alcançado nos últimos 10 anos. Essa nova classe de materiais em sanduíche é suficientemente diferente das versões anteriores para merecer uma avaliação cuidadosa.
Compósitos de matriz polimérica
Como descrito na seção Veículos lançadores, os compósitos de matriz polimérica têm excelente resistência, rigidez, resistência à fadiga e tenacidade à fratura. Todos os materiais poliméricos são, em algum grau, suscetíveis à degradação quando expostos à radiação ultravioleta (UV). Para um veículo em órbita, uma limitação importante são os efeitos da radiação UV sobre a matriz polimérica. Dado o tempo limitado em altitude, essa vulnerabilidade não é um problema para veículos lançadores; no entanto, é uma preocupação para estruturas que permanecem em órbita por tempo prolongado em altitudes onde a intensidade de UV é muito maior. Embora existam revestimentos que protegem os substratos (PMCs, neste caso) da radiação UV, o risco de esses revestimentos serem rompidos e a incerteza sobre sua eficácia em órbita fazem da exposição ao UV uma preocupação constante. Qualquer consideração do uso de PMCs em aplicações externas precisaria incluir uma avaliação de sua eficácia. Como discutido para as ligas de Al, os PMCs também poderiam ser considerados para aplicações internas em que as temperaturas estejam dentro das capacidades do material. Como discutido antes, algumas resinas de poliimida são utilizáveis até cerca de 300 °Celsius; portanto, a baixa densidade e a excelente rigidez específica dos PMCs os tornam candidatos viáveis para alguns componentes. Como também foi discutido, algumas poliimidas, como a PMR-15, contêm metilenodianilina, e é preciso cuidar para
11
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Análise das ligas de alumínio avançadas e dos compósitos poliméricos em um veículo orbital reutilizável, incluindo limites de temperatura e exposição ao ultravioleta.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ /FOR OFFl@IAL l!ISI!!! 9HLY
Table 1 shows there are essentially 10 distinct classes of candidate materials for use in
a reusable 550 vehicle. Their usefulness for specific applications and components
depends on the operating temperature regime and the design -limiting materia l
property . Some background and character istics of each of these materials are described
in this section. Applications of some of these materials have already been addressed, so
the discussion here is limited to applications for a reusable S5O vehicle.
Advanced Al Alloys
This class of materials is lim ited by its temperature capability because, even if used in
an embedded structure, the thermal soakback from the hot external structure can lead
to softening in real time or averaging during extended exposure (that is, after several
missions). Scientists have worked to develop high-temperature powder -metallurgy Al
alloys, mainly alloys containing Fe, cobalt (Co) and cesium (Ce) or Mn and Si. These
alloys are not routinely produced today owing to a lack of demand stemming in part
from their cost and their relative lack of maturity as judged by the high variability in
mechanical properties between lots of material. Consequently, the main application for
Al alloys is in the crew compartment itself, where temperatures must be maintained at
levels that are tolerable for the human occupants. Al alloys have marginal stiffness,
even on a density-corrected basis. However, using fabricated panels with Al face sheets
and a lightweight core can minimize this lim itation. Such panels have a high section
modulus, which increases the structural stiffness without adding much weight. Earlier
uses of phenolic honeycomb cores experienced only limited success because of the
tendency of the core to absorb water from the environment if a breach of the face sheet
or the face sheet core bond occurred . Today, Al pheno lic honeycomb sandwich
construction is unpopular among aircraft and spacecraft designers because of this
earlier, unfavorable experience. However, a new possibility for lightweight stiff
structures-Al face sheets with a foamed Al alloy core-is worthy of consideration.
Considerable progress in making uniform-density Al and other metallic foams has been
realized in the past 10 years . This new class of sandwich materials is sufficiently
different from the earlier versions to merit a carefu l evaluation.
Polymer Matrix Composites
As described in the Launch Vehicle section, polymer matr ix composites have excellent
strength, stiffness, fat igue resistance, and fracture toughness. All polymeric materials
are to some degree susceptible to degradation when exposed to ultraviolet (UV)
radiation. For an orbiting vehicle, a major limitation is the effects of UV radiation on the
polymer matrix. Given their limited time at altitude, this vulnerability is not an issue for
launch vehicles; however, it is a concern for structures that remain in orbit for an
extended time at alt itudes where the UV intensity is much greater . Although there are
coatings that protect substrates (PMCs in this case) from UV radiation, the risk of these
coatings being breached and the uncertainty about their effectiveness in orbit make UV
exposure an ongoing concern. Any consideration of using PMCs for exterior applications
would need to include an evaluation of their effectiveness. As discussed for Al alloys,
PMCs also could be considered for inte rior applications where temperatures are within
the material capabilities. As discussed earlier, some polyimide resins are usable up to
about 300 °Celsius; therefore, the low density and excellent specific stiffness of PMCs
make them viable candidates for some components. As also discussed, some
polyimides, such as PMR-15, contain methylenedianiline, and care must be taken to
11
UNCLASSIFIED/ /FOR OFFIQl.\k Uili QPlk¥Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 16, contando a capa.
TRECHO 9 · PÁGINA FÍSICA 17
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
garantir que qualquer liberação de gases que ocorra no espaço não libere nada desse material tóxico, pelo menos não onde ele pudesse ser ingerido pela tripulação.
Compósitos de matriz de Al
Os compósitos de matriz de Al (AMCs) são tipicamente feitos misturando fibras curtas, ou mesmo partículas, de carbeto de silício (SiC) com pó de liga de Al e prensando a quente ou consolidando mecanicamente a mistura por extrusão ou forjamento. Os AMCs têm módulo e resistência mais altos, mas sofrem perdas de ductilidade devido à segunda fase de SiC, dura e não deformável. Também são muito melhores em fadiga, porque as partículas ou fibras curtas de SiC atenuam os efeitos do deslizamento planar em matrizes de ligas endurecíveis por precipitação. Usinar, soldar por fusão ou conformar a frio AMCs é difícil. A fixação mecânica é possível, mas furar orifícios para fixadores é difícil e caro, porque o desgaste causado pelas fases de reforço duras encurta a vida das ferramentas.
A maioria dos AMCs produzidos até hoje usou ligas de matriz de Al relativamente simples, como a 6061 e a 5083. Isso presumivelmente se deve à sabedoria convencional de que os AMCs não são tratáveis termicamente e à percepção de que não se ganha benefício usando matrizes de liga mais complexas. É provável que isso seja verdade para uma abordagem convencional de solubilização e envelhecimento. Consequentemente, houve pouco esforço para otimizar os sistemas AMC. Para a aplicação certa, em que os AMCs pudessem trazer um benefício significativo, isso poderia representar uma oportunidade. Por exemplo, usar o pó da liga de Al-Fe-Co-Ce de alta temperatura como matriz poderia se mostrar interessante e poderia permitir o uso de AMCs até 200 °Celsius, uma temperatura em que as ligas de Ti não oferecem vantagem significativa, mas que é alta demais para as ligas de Al convencionais serem adequadas.
Em suma, embora os AMCs não sejam realmente um sistema de materiais comercial hoje, foi realizada pesquisa suficiente para estabelecer a prova de conceito. Se surgisse um mercado adequado para os AMCs, o tempo e o custo para torná-los comercialmente disponíveis poderiam se mostrar aceitáveis.
Ligas de Ti
As ligas de Ti também foram discutidas antes, mas principalmente no contexto de aplicações de seção pesada e de grande carga em veículos lançadores. Aqui se considera o potencial das ligas de Ti para aplicações de menor espessura na estrutura morna e no TPS. A Tabela 1 mostra que, em temperaturas intermediárias, as ligas de Ti são atraentes em todos os aspectos, exceto a rigidez específica. O que essa tabela não capta é a propensão das ligas de Ti a reagir com o oxigênio do ar e formar na superfície uma camada de fase α estabilizada por oxigênio, conhecida como "case" (camada alfa). Um exemplo de camada alfa aparece na Figura 3.
12
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Compósitos de matriz de alumínio com carbeto de silício e início da discussão sobre ligas de titânio em temperaturas intermediárias.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ fFOA OFFI€1Ak Ulilii ONkY
ensure that any outgassing that occurs in space would not liberate any of this toxic
material-at least not where it could be ingested by the crew.
Al Matrix Composites
Al matrix composites (AMCs) are typically made by mixing short fibers or even
particulate silicon carbide (SiC) with Al alloy powder and hot-pressing or mechanically
consolidating the mixture by extrusion or forging. AMCs have higher modulus and
strength but suffer ductility losses owing to the hard, nondeforming SiC second phase.
They also are much better in fatigue because the SiC particles or short fibers mitigate
the effects of planar slip in precipitation-hardening alloy matrices. Machining, fusion
welding, or cold-forming AMCs is difficult. Mechanical fastening is possible, but drilling
fastener holes is difficult and expensive because the wear caused by the hard,
reinforcing phases shortens tool life.
Most of the AMCs produced to date have used relatively simple Al matrix alloys such as
6061 and 5083. This presumably is because of the conventional wisdom that AMCs are
not heat treatable and the perception that no benefit is gained by using more complex
alloy matrices. This is probably the case for a conventional solution treat-and-age
approach. Consequently, there has been little effort to optimize AMC systems. For the
right application where AMCs could provide a significant benefit, this could present an
opportunity. For example, using the high-temperature Al-Fe-Co-Ce alloy powder as the
matrix could prove interesting and might permit use of AMCs at up to 200 °Celsius-a
temperature at which Ti alloys do not provide any significant advantage, but one that is
too high for conventional Al alloys to be suitable.
In sum, while AMCs are not really a commercial materials system today, sufficient
research has been performed to establish proof of concept. If an adequate market for
AMCs were to emerge, the time and cost to make them commercially available could
prove acceptable.
Ti Alloys
Ti alloys also have been discussed earlier, but mainly in the context of heavy-section,
large-load-bear ing applications for launch vehicles. Here, the potential of Ti alloys for
lighter gauge applications in the warm structure and the TPS is considered. Table 1
shows that at intermediate temperatures, Ti alloys are attractive in all aspects except
for specific stiffness. What this table does not capture is Ti alloys' propensity to react
with oxygen in the air to form an oxygen-stabilized a phase layer on the surface known
as a case. An example of a case is shown in Figure 3.
12
UNCLASSIFIED/ /FOA OFFICiI>k n&'lii ODIL¥Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 17, contando a capa.
TRECHO 10 · PÁGINA FÍSICA 18
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
[Figura 3, micrografia]
Figura 3. Micrografia mostrando a formação de uma fase α na superfície de uma liga de Ti que foi exposta ao ar em temperatura elevada
A camada alfa é mais dura que a matriz porque o oxigênio é um poderoso endurecedor por solução sólida da fase α. Como em quase todas as outras reações de endurecimento, o aumento de resistência é acompanhado de ductilidade reduzida. Recorrendo outra vez à sabedoria convencional, a presença de uma camada alfa em estruturas de chapa tem sido proibida por especificação, por prática de projeto ou por quaisquer meios que uma empresa use para gerir seu equipamento. Menos claro é o quanto uma camada alfa é realmente prejudicial às propriedades. Essencialmente nenhum esforço foi feito para determinar se ela pode ser tolerada caso o equipamento afetado opere com uma tensão moderadamente reduzida. O padrão da indústria para a camada alfa tem sido essencialmente de tolerância zero. Dada a significativa vantagem potencial de peso associada ao uso de ligas de Ti em partes do TPS e da estrutura morna, essa abordagem conservadora precisa ser revista. Várias questões-chave relacionadas a isso são:
• A camada alfa é realmente prejudicial à capacidade de suportar carga das estruturas de chapa de liga de Ti?
• Se for, há uma quantidade limite que pode ser tolerada sem degradar de forma significativa a capacidade estrutural?
• Quais propriedades são mais severamente degradadas?
• A formação da camada alfa e a degradação de propriedades dependem da liga?
• Se dependem, quais ligas são mais tolerantes à formação de camada alfa?
13
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Discute a camada superficial rica em oxigênio que se forma em ligas de titânio aquecidas; a Figura 3 é uma micrografia do material.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/;'FOR OFFl&IAl W&IE 9fslllf
Figure 3. Micrograph Showing a Phase Formation at the Surface of a Ti Alloy
That has Been Exposed to Air at Elevated Temperature
The a case is harder than the matrix because oxygen is a potent a-phase solid-solution
strengthener. As with almost all other strengthening reactions, the increased strength is
accompanied by reduced ductility. Again, drawing on conventional wisdom, the
presence of a case in sheet structures has been forbidden by specification, design
practice, or whatever means a company uses to manage its hardware. Less clear is how
truly detrimental a case is to properties. Essentially no effort has been made to
determine whether it can be tolerated if the affected hardware is allowed to operate at
a modestly reduced stress. The industry standard for a case has essentially been one of
zero tolerance. Given the significant potential weight advantage associated with use of
Ti alloys in portions of the TPS and warm structure, this conservative approach needs to
be revisited. Several key questions related to this are:
• Is a case truly detrimental to the load-bearing capability of Ti alloy sheet structures?
• If so, is there a limiting amount that can be tolerated without significantly degrading
the structural capability?
• Which properties are the most severely degraded?
• Are a case formation and property degradation alloy dependent?
• If so, which alloys are the most tolerant of a case formation?
13
UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI&IAl Wliliii QfslL¥Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 18, contando a capa.
TRECHO 11 · PÁGINA FÍSICA 19
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
• Uma vez presente a camada alfa, a estrutura pode ser reparada (por exemplo, por soldagem por fusão ou por fricção e mistura)?
A Diretoria de Materiais e Manufatura da Força Aérea está iniciando um novo projeto destinado a responder a essas perguntas. A motivação desse programa são os veículos de voo hipersônico. Os resultados desse programa da Força Aérea dos EUA devem se mostrar muito úteis para o projeto de futuros veículos SSO reutilizáveis.
Usos anteriores de ligas de Ti em altas temperaturas incluíram o revestimento e boa parte da estrutura portante do SR-71 Blackbird. Esse avião voou com sucesso em velocidades de pico superiores a Mach 3,2 por 34 anos (1964-1998). Embora as temperaturas máximas do revestimento não estejam prontamente disponíveis, elas superaram 300 °Celsius. Não houve problemas conhecidos envolvendo camada alfa durante o serviço do SR-71. Notavelmente, a principal liga usada no SR-71 foi uma das ligas β de Ti originais, a B-120 VCA, cuja composição é Ti-13V-11Cr-3Al. A principal razão para a escolha dessa liga foi que ela é muito mais fácil de laminar em chapas finas do que qualquer uma das ligas α+β de Ti. Hoje há ligas β de Ti para chapa mais novas, com melhor equilíbrio de propriedades, que poderiam ser usadas do mesmo modo que a B-120 VCA. A mais comum delas é a Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al. No entanto, o uso bem-sucedido da B-120 VCA levanta a questão de se as ligas β de Ti são mais resistentes à formação de camada alfa do que as ligas α+β, como a Ti-6-4.
O atrativo de usar ligas de Ti, além de sua eficiência estrutural, é a extensa base industrial para fazer o material em uma variedade de formas de produto e o extenso conhecimento resultante das muitas aplicações bem-sucedidas de ligas de Ti em produtos de alto desempenho. Por exemplo, a capacidade de conformar superplasticamente ligas de Ti como a Ti-6-4 cria a oportunidade de projetar uma estrutura que funcione ao mesmo tempo como portante e como proteção térmica.
Compósitos de matriz de Ti
Como mostrou a Tabela 1, as ligas de Ti não são especialmente atraentes por sua rigidez específica. Um modo de superar essa limitação é reforçar uma matriz de liga de Ti com fibras de SiC. Neste caso, as fibras são "longas": têm comprimento suficiente para que a matriz transfira à fibra a maior fração possível da carga externa. As fibras são essencialmente monofilamentos e precisam ser cuidadosamente posicionadas para que fibras adjacentes não se toquem. As áreas de contato entre fibras são essencialmente trincas incipientes que degradam a resistência mecânica. Como mostra a Tabela 2, os TMCs têm excelentes propriedades.
Tabela 2. Exemplo de propriedades de compósitos de matriz de Ti
Propriedade: Valor da propriedade (unidades inglesas / métricas)
Resistência à tração máxima: 276 ksi / 1902 MPa
Módulo de Young: 32,8 msi / 226 GPa
Deformação até a fratura: 0,95%
Densidade: 0,16 lb/pol³ / 4,43 g/cm³
Fração volumétrica de fibra: 0,39
14
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Estudo da Força Aérea sobre oxidação do titânio, o precedente do SR-71 e a Tabela 2, com propriedades de um compósito de matriz de titânio.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ /FOil OFFl@IAL YSli 8Ptllf
• Once a case is present, can the structure be repaired (for example, by fusion or
friction stir welding)?
The Air Force Materials and Manufacturing Directorate is starting a new project intended
to address these questions. The motivation for this program is hypersonic flight
vehicles. The results from th is U.S. Air Force program should prove highly useful to the
design of future reusable SSO vehicles.
Earlier uses of Ti alloys at high temperatures included the skin and much of the load
bearing structure of the SR-71 Blackbird. This airplane flew successfully at peak speeds
in excess of mach 3.2 for 34 years (1964-1998). While the maximum skin temperatures
are not readily available, they were in excess of 300 °Celsius. There were no known
issues involving a case during the SR-71's service. Notably, the primary alloy used for
the SR-71 was one of the original ~-Ti alloys, B-120 VCA, the composition of which is
Ti-13V-11Cr-3AI. The primary reason for choosing this alloy was that it is much easier
than any of the a +~ Ti alloys are to roll into sheet gauges. Today there are newer ~- Ti
sheet alloys featuring a better balance of properties that could be used in the same way
as B-120 VCA. The most common of these is Ti-15V-3Cr-3Sn-3AI. However, the
successful use of B-120 VCA raises the question of whether ~- Ti alloys are more
resistant than a+ ~ alloys such as Ti-6-4 are to a case formation.
The attraction to using Ti alloys, in addition to their structural efficiency, is the
extensive industrial base for making the material in a variety of product forms and the
extensive knowledge base resulting from the many successful applications of Ti alloys in
high-performance products. For example, the ability to superplastically form Ti alloys
such as Ti-6-4 creates the opportunity for design of a structure that functions both as
load bearing and as thermal protection.
Ti Matrix Composites
As Table 1 showed, Ti alloys are not especially attractive for their specific stiffness. One
way to overcome this limitation is to reinforce a Ti alloy matrix with SiC fibers. In this
case, the fibers are "long" fibers-they have sufficient length for the matrix to transfer
the maximum possible fraction of the external load to the fiber. The fibers are
essentially monofilaments and must be carefully placed so adjacent fibers do not touch
one another. Areas of contact between fibers essentially are incipient cracks that
degrade the mechanical strength. As Table 2 shows, TMCs have excellent properties.
Table 2. Example of Properties of Ti Matrix Composites
Property Property Value (English /Metric
Units)
Ultimate tensile strenqth 276 ksi / 1902 MPa
Young's modulus 32.8 msi / 226 GPa
Strain to fracture 0.95%
Density 0.16 lb/in 3 / 4.43 q/cm 3
Fiber Volume fraction 0.39
14
UNCLASSIFIED/;SFOR. OFFl&IAL Y&li 8PtllfConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 19, contando a capa.
TRECHO 12 · PÁGINA FÍSICA 2
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
Materiais para Plataformas Aeroespaciais Avançadas
Preparado por:
Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3)
Escritório de Alerta de Defesa
Diretoria de Análise
Agência de Inteligência de Defesa
Autor:
AAP Person 66 [nome suprimido na divulgação]
Nota administrativa
AVISO DE DIREITOS AUTORAIS: não é autorizada a difusão adicional das fotografias desta publicação.
Este produto faz parte de uma série de relatórios de tecnologia avançada produzidos no ano fiscal de 2009 no âmbito do programa de Aplicações de Sistemas de Armas Aeroespaciais Avançados (AAWSA) do Escritório de Alerta de Defesa da Agência de Inteligência de Defesa. Comentários ou perguntas sobre este documento devem ser dirigidos a AAP Person 1 [nome suprimido], gerente do programa AAWSA, Agência de Inteligência de Defesa, ATTN: CLAR/DWO-3, Bldg 6000, Washington, DC 20340-5100.
ii
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Folha de rosto: identifica a divisão da DIA que preparou o estudo, o autor (nome suprimido) e o aviso de direitos autorais sobre as fotografias.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ /Pel\ OPPICIAL USE ONLY
Materials for Advanced Aerospace Platforms
Prepared by:
Acquisition Support Division (DW0-3)
Defense warning Office
Directorate for Analysis
Defense Intelligence Agency
Author:
AAP Person 66
Administrative Note
COPYRIGHT WARNING: Further dissemination of the photographs in this publication is not authorized.
This product is one in a series of advanced technology reports produced in FY 2009
under the Defense Intelligence Agency, Defense Warning Office's Advanced Aerospace
Weapon System Applications (AAWSA
i
Program. Comments or questions pertaining to
this document should be addressed to MP Person 1 ! AAWSA Program
Manager, Defense Intelligence Agency, ATTN: CLAR/DW0-3, Bldg 6000, Wash ington,
DC 20340-5100.
ii
UNCLASSIFIED/ /liOA OFFIOIAL li91!! ertt IConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 2, contando a capa.
TRECHO 13 · PÁGINA FÍSICA 20
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
A Figura 4 mostra um exemplo de seção transversal de um compósito de matriz de Ti (TMC).
[Figura 4, micrografia]
Figura 4. Micrografia de seção transversal de um compósito de matriz de Ti. Os pequenos centros escuros das fibras são substratos monofilamentares de C para a deposição de SiC (micrografia de luz). Sistema de material: liga da matriz, Ti-6242; fibra, SiC SCS-6 com cerca de 5,6 mils de diâmetro
A Tabela 2 mostra que as propriedades de resistência e de rigidez dos TMCs podem exceder as da matriz de Ti (ou de outras ligas α+β de Ti) em mais de um fator de dois, sem aumento de densidade. Então, por que os TMCs não são de uso generalizado? A razão principal é o custo. Outra razão é a disponibilidade de fibra de SiC para os TMCs.
• Durante a década de 1990, quando o governo dos EUA (principalmente o Departamento de Defesa) se interessava por P&D de TMCs e financiava seu desenvolvimento, a fibra de reforço mais atraente era a SCS-6™, produzida exclusivamente pela Textron Specialty Materials (TSM), em Lowell, MA.
• Infelizmente (ao menos em retrospectiva), a TSM tomou a decisão comercial de não vender a fibra e, em vez disso, integrar-se para frente e vender componentes de TMC ou produtos acabados de laminação de TMC. Essa decisão decorreu em parte da experiência comercial negativa da TSM com o desenvolvimento de uma fibra à base de B (Boro-SiC™) para os TMCs de primeira geração.
• Antes de tomar essa decisão comercial, a TSM não desenvolveu experiência suficiente em fabricação de TMCs para se posicionar adequadamente como produtora de produtos de TMC com propriedades consistentes.
15
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: A Figura 4 é uma micrografia de um compósito de titânio reforçado com fibras de carbeto de silício; o texto atribui o pouco uso do material ao custo e à oferta de fibras.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ fFOR 8FFI@IAL YSI!! f>HLY
Figure 4 shows an example of a TI matrix composite (TMC) cross section.
Figure 4. Cross-Section Micrograph of a Ti Matrix Composite. Small, dark centers
of fibers are C monofilament substrates for deposition of SiC (light micrograph).
Material system: Matrix alloy - Ti-6242; Fiber - SiC about 5.6-mil-diameter SCS-6
Table 2 shows that the strength and stiffness properties of TMCs can exceed those of
the Ti matrix (or other a.+13 Ti alloys) by more than a factor of two with no increase in
density. So why are TMCs not in widespread use? The foremost reason is cost. Another
reason is the availability of SiC fiber for TMCs.
• During the 1990s, when the U.S. government (mainly DoD) was interested in and
provided development money for TMC R&D, t he most attractive reinforcing fiber was
SCS-6™, which was produced exclusively by Textron Specialty Materials (TSM) in
Lowell, MA.
• Unfortunately (at least in hindsight), TSM made a business decision not to sell fiber
and to instead forward-integrate and sell TMC components or finished TMC mill
products. This decision stemmed in part from TSM's negative business experience
with development of B-based fiber (Boro-SiC™) for first-generation TMCs.
• Prior to making this business decision, TSM did not develop sufficient TMC
manufacturing expertise to properly position itself as a producer of TMC products
with consistent properties.
15
UNCLASSIFIED/ f FOR OFFIQl.\k Uili Qfslk¥Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 20, contando a capa.
TRECHO 14 · PÁGINA FÍSICA 21
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
• Algumas falhas de ensaio de componentes de TMC, caras e muito visíveis, com materiais da TSM, puseram em dúvida a viabilidade dos TMCs. Na verdade, a questão real era de qualidade, e não da viabilidade fundamental do conceito de material TMC.
• Essas falhas levaram a extrema cautela por parte do governo, que prontamente impôs requisitos de qualidade rigorosos à TSM. Em consequência, a TSM se tornou um sério gargalo para a disponibilidade de TMCs com qualidade aceitável. Como resultado, numerosos programas grandes de P&D financiados pelo governo ficaram atrasados a ponto de alguns serem cancelados e outros abandonados.
• Outras fibras de SiC, menos atraentes, estavam sendo desenvolvidas nesse período, incluindo a Nicalon, no Japão, e a Sigma, no Reino Unido. Como a fibra de SiC e os TMCs eram considerados materiais estratégicos e nenhuma dessas fibras alternativas era produzida nos Estados Unidos, havia relutância em experimentá-las, e o governo dos EUA ocasionalmente proibiu seu uso em programas de P&D financiados com recursos federais.
• A questão da disponibilidade de fibra tornou-se uma grande distração do verdadeiro negócio em questão, ou seja, melhorar a consistência e reduzir o custo do produto TMC.
• No fim, a TSM cedeu em parte, mas àquela altura já existia tão pouco interesse em TMCs que a oportunidade original se perdeu. Além disso, ainda não havia evidência concreta de que os TMCs pudessem ser produzidos com propriedades suficientemente consistentes para serem considerados um material de engenharia (a qualquer custo).
• Em meados da década de 1990, um estudo de custos que supunha disponibilidade de fibra mostrou que TMCs que atendessem às propriedades especificadas poderiam ser fabricados por cerca de 500 dólares por libra (em dólares de 1995) se o volume de uso fosse de cerca de 10.000 libras por ano. Encontrar aplicações de baixo risco e alto valor em número suficiente para consumir essa quantidade de TMCs não foi considerado possível.
• Consequentemente, o trabalho com TMCs foi interrompido depois de um investimento de cerca de 500 milhões de dólares de recursos do governo dos EUA e de um investimento (presumivelmente) comparável, mas menos conhecido, do setor privado (em sua maioria dólares de P&D independente).
• Uma lição disso é que um estudo de mercado e de custos crível deve ser realizado antes de embarcar em um grande programa de P&D para desenvolver materiais revolucionários como os TMCs.
A discussão acima exemplifica os desafios associados ao desenvolvimento e à comercialização de um sistema de materiais novo e revolucionário. Conceitos de materiais novos originados em fontes não produtivas, como laboratórios nacionais ou universidades de pesquisa, devem ser abordados com cautela e nunca postos no caminho crítico do projeto de um produto. Mesmo que um material novo seja avaliado por uma fonte de produção estabelecida, o momento da comercialização plena deve ser examinado com cuidado.
Ligas à base de Ni
As ligas à base de Ni são consideradas materiais de engenharia reais há pelo menos 40 anos. Por causa de sua taxa relativamente baixa de perda de resistência com o aumento da temperatura, as ligas à base de Ni também são chamadas de "superligas". Elas são comumente usadas em temperaturas bem acima de metade de seu ponto de fusão (Tm), que é o limite útil aceito para a maioria dos materiais metálicos estruturais. Não há outra classe de ligas estruturais para a qual isso seja verdade. As ligas à base de Ni são usadas em turbinas de todos os tipos quase desde sua
16
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Histórico dos compósitos de titânio com fibra de carbeto de silício (falhas de qualidade, restrições de fornecimento, custo) e início da seção sobre superligas de níquel.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ ,'FOR OFFl@IAL YSE OHL¥
• A couple of costly and highly visible TMC component test failures using TSM
materials called into question the viability of TMCs. In truth, the real issue was one
of quality and not the fundamental viability of the TMC material concept.
• These failures led to extreme caution by the government, which promptly imposed
stringent quality requirements on TSM. Consequently, TSM became a serious
bottleneck for availability of TMCs with acceptable quality. As a result, numerous
large, government-funded R&D programs fell behind schedule to the point that
some were canceled and others were abandoned.
• Other, less attractive SiC fibers were being developed during this period, including
Nicalon in Japan and Sigma in the United Kingdom. Because SiC fiber and TMCs
were deemed strategic materials and neither of these alternate fibers was produced
in the United States, there was reluctance to experiment with them, and the U.S.
government occasionally prohibited their use in federally funded R&D programs.
• The issue of fiber availability became a major distraction from the real business at
hand-that is, improving the consistency and reducing the cost of the TMC product.
• In the end, TSM partially relented, but by then such limited interest in TMCs existed
that the original opportunity was lost. Furthermore, there still was no concrete
evidence that TMCs could be produced with sufficiently consistent properties that
they could be considered an engineering material (at any cost).
• In the mid-1990s, a cost study that assumed fiber availability showed that TMCs
that meet specification properties could be manufactured for about $500/lb (in 1995
$) if the use volume was about 10,000 lb/year. Finding enough low-risk, high-value
applications to consume this quantity of TMCs was not deemed possible.
• Consequently, work on TMCs halted after an investment of about $500 million of U.S.
government funds and a (presumably) comparable, but less well known private
sector (mostly independent R&D $) investment.
• One lesson from this is that a credible market and cost study should be undertaken
before embarking on a major R&D program to develop revolutionary materials such
as TMCs.
The foregoing discussion exemplifies the challenges associated with developing and
commercializing a revolutionary new materials system. 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. Even if a new material is vetted through an established production
source, the timing of full commercialization should be carefully examined.
Ni-base Alloys
Ni-base alloys have been considered real engineering materials for at least 40 years.
Because of their relatively low rate of strength loss with increasing temperature, Ni
base alloys are also called "superalloys." They are commonly used at temperatures well
in excess of half of their melting point (Tm), which is the accepted useful limit for most
structural metallic materials. There is no other class of structural alloys for which this is
true. Ni-base alloys have been used in turbine engines of all types almost since their
16
UNCLASSIFIED/ /FOA OFFICiIAk Wlilii 0PU.¥Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 21, contando a capa.
TRECHO 15 · PÁGINA FÍSICA 22
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
invenção. Na verdade, as ligas à base de Ni são um dos principais habilitadores da moderna turbina a gás. Em consequência, essa classe de materiais tem uma base industrial bem estabelecida para a produção de literalmente todas as formas de produto. Há uma segunda classe de ligas à base de Ni, com excelente resistência ao ataque em ambientes agressivos, como os encontrados na extração de petróleo, mas essas ligas não interessam para aplicações em alta temperatura. Para evitar confusão, o termo ligas à base de Ni é usado neste documento para designar ligas à base de Ni de alta temperatura.
As ligas à base de Ni têm alta resistência em temperatura elevada porque normalmente contêm Al e Ti, o que lhes permite ser endurecidas por precipitação. As ligas com maior capacidade de temperatura são endurecidas por precipitados de Ni3Al (chamados de γ'), que têm coeficiente de temperatura da resistência positivo até cerca de 1.000 °Celsius. Essa característica incomum explica a capacidade de temperatura elevada das ligas à base de Ni. Em combinação com a dependência de temperatura habitual da resistência da matriz, a dependência global de temperatura é bastante baixa em comparação com a de qualquer outra classe de ligas estruturais. As ligas à base de Ni também contêm adições de elementos refratários, como tungstênio (W), tântalo (Ta) e nióbio (Nb). Essas adições também melhoram a resistência em temperatura elevada, porque difundem lentamente e reforçam a matriz. Como as ligas à base de Ni são usadas em temperaturas elevadas, elas contêm adições de Cr em concentrações significativas para melhorar a resistência à oxidação. O ajuste das propriedades das ligas à base de Ni foi estudado extensamente e é bastante bem compreendido de forma empírica, embora menos em sentido fundamental. As ligas à base de Ni de geração atual contêm até 10 adições de liga, e as interações entre elementos fazem com que obter uma compreensão fundamental dos efeitos da liga seja um grande desafio.
A produção de ligas à base de Ni evoluiu ao longo de várias décadas. Usam-se tanto métodos de metalurgia de lingote quanto de metalurgia do pó para produzir uma gama completa de produtos de laminação. Novas ligas foram introduzidas periodicamente em resposta a necessidades especializadas. Às vezes, esses esforços de desenvolvimento de ligas foram tão focados na "necessidade especializada" que a manutenção de outras propriedades geralmente aceitas das ligas à base de Ni foi negligenciada. Um exemplo disso é o desenvolvimento das primeiras ligas de "baixo coeficiente de expansão térmica" (α) (as chamadas ligas de baixo α). Um exemplo de aplicação para a qual as ligas de baixo α são atraentes são as estruturas em que há dois ou mais anéis concêntricos ligados por suportes radiais. Na presença de um gradiente radial de temperatura, essas ligas tendem a trincar em situações de ciclagem térmica por causa da "fadiga térmica". Em princípio, a disponibilidade de uma liga "tipo Invar" com características estruturais reduz as deformações térmicas e melhora a vida em fadiga térmica. O Invar tem esse nome porque usa as características magnéticas do Ni para compensar a expansão térmica normal, resultando em valores de α muito menores. Reconheceu-se que esse conceito também poderia ser adaptado a ligas estruturais à base de Ni. A liga de baixo α de primeira geração, a Inco 903, tinha cerca de metade do coeficiente de expansão térmica das ligas à base de Ni comuns, até a temperatura de Curie. Essa notável alteração de uma propriedade física foi conseguida removendo o Cr da liga para intensificar os efeitos magnéticos da magnetostrição. Uma consequência infeliz e não intencional dessa alteração de composição foi que a resistência à oxidação ficou seriamente degradada. Em particular, a Inco 903 tinha propensão à trinca intergranular ao ar sob tensão, o que a tornava de utilidade limitada como liga estrutural. Na verdade, a trinca era tão severa que recebeu um nome: oxidação de contorno de grão assistida por tensão (SAGBO). Uma liga de baixo α de segunda geração, a Inco 909, continha Si para ajudar a melhorar a resistência à oxidação, mas essa liga não ganhou aceitação generalizada, possivelmente porque os problemas da Inco 903 foram tão severos. A resistência superior das ligas de baixo α
17
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Explica por que as superligas de níquel resistem a altas temperaturas e relata o problema de oxidação da liga de baixa expansão Inco 903.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ /PO" orr1e11tt U.!I! l>flt I
inception. In fact, Ni-base alloys are a prime enabler of the modern gas turbine engine.
As a result, this class of materials has a well-established industr ial base for the
production of literally all product forms. There is a second class of Ni-base alloys that
has excellent resistance to attack in aggressive environments, such as those
encountered in petroleum recovery, but these alloys are not of interest for high
temperature applicat ions. To avoid any confusion, the term Ni-base alloys is used in
this document to mean high-temperature Ni-base alloys .
Ni-base alloys have a high elevated temperature strength because they typically
conta in Al and Ti, which enable them to be precipitation strengthened. The alloys with
the highest temperature capability are strengthened by precipitates of Ni3AI (called y'),
which have a posit ive temperature coefficient of strength up to about 1,000 °Celsius.
This unusual characteristic accounts for Ni-base alloys' elevated temperature capability.
In combination with the ord inary temperature dependence of the matrix strength, the
overall temperature dependence is quite low compared with that of any other class of
structural alloys. Ni-base alloys also contain alloying additions of refractory elements
such as tungsten (W), tantalum (Ta), and niobium (Nb). These additions also improve
the elevated temperature strength because they diffuse slowly and strengthen the
matr ix. Because Ni-base alloys are used at elevated temperatures, they contain Cr
additions in significant concentrations to improve their oxidation resistance. The
tailor ing of the properties of Ni-base alloys has been studied extensively and is quite
well understood empirically, albeit less so in a fundamental sense. Current-generation
Ni-base alloys contain as many as 10 alloying additions, and interelement interactions
make gaining a fundamental understanding of alloying effects a major challenge.
Production of Ni-base alloys has evolved over several decades. Both ingot metallurgy
and powder metallurgy methods are used to produce a full range of mill products. New
alloys have periodically been introduced in response to specialized needs. Sometimes
these alloy development efforts have been so focused on the "specialized need" that
retention of other generally accepted Ni-base alloy properties has been overlooked. An
example of this is the development of early " low coefficient of thermal expansion" (a)
alloys (the so-called low-a alloys) . An example of an application for which low-a alloys
are attractive is structures in which there are two or more concentric rings connected
by radial struts. In the presence of a radial temperature gradient, these alloys tend to
crack during thermal cycling situ ations owing to "thermal fatigue." In principle, the
availability of an "Invar type" alloy with structural characteristics reduces the thermal
strains and improves the thermal fatigue life. Invar is so named because it uses the
magnetic character istics of Ni to offset normal therma l expansion, resulting in much
lower a values. It was recognized that this concept could also be adapted to Ni-base
structural alloys. The first-generation low-a alloy, Inco 903, had about half the
coefficient of thermal expansion compared with ordinary Ni-base alloys up to the Curie
temperature. This remarkable alteration of a physical property was achieved by
removing the Cr from the alloy to intensify the magnetic effects of magnetostriction. An
unfortunate, unintended consequence of this composition alteration was that the
oxidation resistance was seriously degraded. In particular, Inco 903 had a propensity
for intergranular cracking in air under stress, rendering it of limited utility as a
structural alloy. In fact, the cracking was so severe it was given a name: stress
assisted grain boundary oxidat ion (SAGBO). A second -generation low-a alloy, Inco 909,
contained Si to help improve the oxidation resistance, but t his alloy has not gained
widespread acceptance, possibly because Inco 903 problems were so severe. Low-a
17
UNCLASSIFIED/ /EOA: OliFICil.\k W&lii 8HL\«Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 22, contando a capa.
TRECHO 16 · PÁGINA FÍSICA 23
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
à fadiga térmica lhes confere grande potencial de uso em TPS; assim, seria apropriado reexaminar essa classe de ligas depois de resolver seus problemas passados.
Muitas das ligas à base de Ni são soldáveis por fusão, mas os graus de maior resistência são propensos a trincas sem precauções especiais, como o pré-aquecimento da peça. A maioria das ligas capazes de ser processadas em chapa também pode ser processada para criar uma estrutura de grão fino. O material de grão fino pode ser conformado superplasticamente, o que é potencialmente de grande benefício para fazer estruturas portantes de pequena espessura e componentes de TPS. Por fim, embora quase todas as ligas à base de Ni contenham Cr e Al, ambos os quais melhoram a resistência à oxidação ao formar uma camada estável e protetora, essa camada começa a perder eficácia acima de cerca de 1.000 °Celsius. Vários revestimentos ambientais eficazes foram desenvolvidos pela indústria de turbinas a gás para ligas à base de Ni. A única preocupação ou incógnita para aplicação em um veículo SSO reutilizável é a durabilidade desses revestimentos em condições de vazão mássica muito alta, como durante a reentrada.
Ligas de metais refratários
As ligas de metais refratários foram discutidas brevemente antes, em conexão com o projeto DynaSoar. Depois disso, houve interesse sistemático limitado em projetar estruturas aeroespaciais que incorporem ligas de metais refratários. Houve interesse em usar essas ligas em reatores nucleares de alta temperatura resfriados a gás, onde o ambiente de operação é benigno e bem controlado, mas isso tem relevância limitada para a presente discussão de veículos espaciais que precisam resistir à reentrada na atmosfera da Terra. O atrativo dos metais refratários como classe é a alta temperatura de fusão do Mo, do Nb e do Ta. Embora as ligas desses elementos metálicos exibam dependência "normal" da resistência mecânica com a temperatura, 0,5Tm do Nb ou do Mo ainda é uma temperatura mais alta do que as ligas à base de Ni conseguem suportar. Dos três metais, o Nb é de longe o mais atraente por sua menor densidade, menor módulo de elasticidade e melhor (mas não boa) resistência à oxidação. A barreira evidente ao uso das ligas de Nb é sua reatividade ao ar em altas temperaturas. Existem revestimentos para essas ligas, mas a 1.250 °Celsius uma ruptura do revestimento causará falha imediata e catastrófica.
Uma prática de projeto razoável para estruturas críticas, como o TPS, é proibir o uso de qualquer material revestido se o material falhar de modo catastrófico quando o revestimento for rompido. Se essa prática fosse a norma, as ligas de metais refratários não seriam utilizáveis no TPS nem em outras estruturas quentes críticas de um veículo SSO reutilizável.
Compósitos de matriz cerâmica
Os compósitos de matriz cerâmica (CMCs) são atraentes porque são muito mais tenazes do que as cerâmicas monolíticas, mas mantêm sua capacidade de alta temperatura. A tenacidade dos CMCs vem das fibras usadas para reforçar a matriz cerâmica. Quando um CMC é carregado em tração e a tensão na matriz cerâmica atinge um valor crítico, desenvolvem-se microtrincas. Esse nível de tensão é conhecido como tensão de microtrinca da matriz. Em uma cerâmica monolítica como o carbeto de silício (SiC) ou o nitreto de silício (Si3N4), as microtrincas se propagariam rapidamente, causando falha imediata. Por essa razão, cerâmicas monolíticas não são adequadas para aplicações carregadas em tração. Essa característica é atenuada nos CMCs pelo reforço da matriz cerâmica com fibras cerâmicas de alta resistência, tipicamente de Al2O3 ou de SiC, cuja função é fazer ponte sobre as trincas e detê-las. Sob carregamento continuado, as fibras também
18
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Compara as ligas de níquel e os metais refratários para proteção térmica; início da discussão sobre compósitos de matriz cerâmica.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED//P'O" OP'P'lf!IAL YSIE Ql'.L¥
alloys' superior thermal fatigue resistance gives them great potential for use in TPS;
thus, it would be appropriate to revisit this class of alloy after addressing its past
problems.
Many of the Ni-base alloys are fusion weldable, but the higher strength grades are
prone to cracking without special precautions such as preheating the work piece. Most
alloys capable of being processed into sheet also can be processed to create a fine
grained structure. The fine-grained material can be superplastically formed, which is
potentially of very important benefit to making light-gauge, load-bearing structures and
TPS components. Finally, although almost all Ni-base alloys contain Cr and Al, both of
which improve oxidation resistance by forming a stable, protective scale, this scale
begins to lose its effectiveness above about 1,000 °Celsius. A number of effective
environmental coatings have been developed by the gas turbine industry for Ni-base
alloys. The only concern or unknown for application in a reusable 550 vehicle is the
durability of these coatings under very high mass flow conditions, such as during
reentry.
Refractory Meta I Alloys
Refractory metal alloys were discussed briefly earlier in connection with the DynaSoar
project. Subsequent to this, there has been limited systematic interest in designing
aerospace structures that incorporate refractory metal alloys. There has been interest
in using these alloys for high-temperature gas-cooled nuclear reactors, where the
operating environment is benign and well controlled, but this has limited relevance to
the current discussion of space vehicles required to withstand reentry into the earth's
atmosphere. The attraction of refractory metals as a class is the high melting
temperature of Mo, Nb, and Ta. Although alloys of these metallic elements exhibit
"normal" temperature dependence of mechanical strength, 0.STm of Nb or Mo is still a
higher temperature than Ni-base alloys can withstand. Of the three metals, Nb is by far
the most attractive because of its lower density, lower elastic modulus, and better (but
not good) oxidation resistance. The clear barrier to use of Nb alloys is their reactivity in
air at high temperatures. There are coatings for these alloys, but at 1,250 °Celsius, a
breach in the coating will cause immediate, catastrophic failure.
A reasonable design practice for critical structure, such as the TPS, is to disallow use of
any coated material if the material fails catastrophically when the coating is breached.
If this practice were the norm, then refractory metal alloys would not be usable in the
TPS or other critical hot structure in a reusable 550 vehicle.
Ceramic Matrix Composites
Ceramic matrix composites (CMCs) are attractive because they are much tougher than,
but retain the high-temperature capability of, monolithic ceramics. CMCs' toughness is
derived from the fibers used to reinforce the ceramic matrix. When a CMC is loaded in
tension and the stress in the ceramic matrix reaches a critical value, microcracks
develop. This stress level is known as the matrix microcrack stress. In a monolithic
ceramic such as silicon carbide (SiC) or silicon nitride (Si3N4), microcracks would
propagate rapidly, causing immediate failure. For this reason, monolithic ceramics are
not suitable for tension-loaded applications. This characteristic is mitigated in CMCs by
reinforcing the ceramic matrix with high-strength ceramic fibers, typically Al2O3 or SiC,
whose role is to bridge and arrest the cracks. Under continued loading, the fibers also
18
UNCLASSIFIED/ /FOA QFFICilAL WIiii QNLYConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 23, contando a capa.
TRECHO 17 · PÁGINA FÍSICA 24
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
acabarão se rompendo em seus pontos mais fracos, que, estatisticamente, costumam estar em algum ponto da matriz e não na boca da trinca. Essas fibras rompidas precisam então ser arrancadas da matriz durante a extensão da trinca sob carregamento continuado, uma ação que dissipa energia adicional. Portanto, a energia total gasta durante a fratura de um CMC é muito maior do que seria no caso de um corpo de prova monolítico da matriz cerâmica. Os mecanismos de tenacificação por ponte de trinca e arrancamento de fibra, com o consequente aumento da dissipação de energia durante a fratura, são a base conceitual dos CMCs. Em CMCs de matriz de SiC reforçada com fibra de SiC (chamados SiC-SiC), a tenacidade pode chegar a 10 vezes a da matriz não reforçada. Evidentemente, a natureza da interface fibra-matriz determina a resistência ao arrancamento da fibra depois da fratura e controla a tenacidade. Em CMCs de alta temperatura, as fibras são revestidas para obter uma resistência de ligação interfacial intermediária que otimize a tenacificação por arrancamento. Se a interface for fraca demais, as fibras se soltam com facilidade demais. Se for forte demais, as fibras se rompem sem nenhum arrancamento. Nenhuma dessas situações maximiza a tenacidade. Portanto, o desafio de criar um CMC tenaz não é apenas criar essa interface, mas também encontrar um revestimento que permaneça estável ao longo do tempo durante a exposição a temperaturas elevadas. À medida que a temperatura de serviço aumenta, esse último requisito se torna mais desafiador. Para serviço prolongado, os CMCs de SiC-SiC são atualmente limitados a cerca de 1.400 °Celsius, mas isso é mais alto do que a capacidade dos materiais metálicos.
A tensão de microtrinca da matriz também é significativa porque, uma vez que a matriz desenvolve microtrincas, ela permite que o ambiente chegue às interfaces fibra-matriz. O papel do ambiente pode ser alterar a natureza da interface e reduzir a extensão da tenacificação por arrancamento. A dificuldade óbvia disso é que as propriedades são melhores no início do que depois de um período de exposição em serviço. Isso leva a um projeto não conservador que é perigoso. Sem um fator de redução arbitrário, não existe atualmente meio de estimar a tenacidade reduzida em função da vida em serviço.
Ainda assim, os CMCs são a classe de materiais que traz a maior promessa de vencer os limites de temperatura dos metais atuais. Uma questão importante no momento é a base industrial limitada para produzir CMCs e a gama ainda mais restrita de fibras cerâmicas adequadas disponíveis para uso como reforço nos CMCs. O custo dos CMCs é atualmente muito alto, mas deve cair com o aumento da demanda, como aconteceu com os TMCs. Mesmo assim, os CMCs serão sempre caros, o que torna importante o desenvolvimento de projetos eficientes que façam uso ótimo dessa classe de material.
Compósitos de carbono-carbono
Os compósitos de carbono-carbono (C-CCs) consistem em fibras de carbono em uma matriz de carbono tipicamente amorfa. Em princípio, essa classe de materiais é muito atraente porque tem densidade muito baixa e alta resistência em temperaturas elevadas. Os C-CCs também têm boa resistência à oxidação em temperaturas muito altas (1.200 °Celsius) porque usam um revestimento rico em Si que forma na superfície uma película estável e protetora de SiO2. Esse sistema de revestimento é "autorregenerável" se rompido porque, entre outras coisas, é vítreo (viscoso) e se refaz sobre as trincas. A principal vulnerabilidade ocorre em temperaturas intermediárias, em que a viscosidade do vidro é alta o bastante para que ele possa não fluir com rapidez suficiente para curar uma ruptura, expondo o substrato reativo de C ao ambiente oxidante danoso. Como nos CMCs, também há algumas dúvidas sobre mudanças de longo prazo nas interfaces fibra-matriz, que são ao menos em parte responsáveis pela perda de tenacidade ao impacto ao longo do tempo, como se verificou no acidente do Columbia.
19
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Explica como as fibras tornam as cerâmicas mais tenazes e discute a degradação em serviço dos compósitos cerâmicos e de carbono-carbono.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ /POil Offl@IAL l:ISli 8PtLY
will eventually fracture at their weakest points, which, statistically, is often somewhere
in the matrix rather that at the mouth of the crack . These fractured fibers then must be
pulled out of the matrix during crack extension under continued loading, an action that
dissipates additional energy . Therefore, the total energy expended during fracture of a
CMC is much greater than it would be in the case of a monolithic specimen of the
ceramic matrix. The crack bridging and pullout mechanisms of toughening, with the
attendant increase in energy dissipation during fracture, are the conceptual foundation
for CMCs. In SiC fiber-reinforced SiC matrix (called SiC-SiC) CMCs, the toughness can
be as high as 10 times that of the unreinforced matrix. Clearly, the nature of the fiber
matrix interface determines the resistance to fiber pullout after fracture and controls
the toughness. In high-temperature CMCs, the fibers are coated to achieve an
intermediate fiber-matrix interfacial bond strength that optimizes pullout toughening. If
the interface is too weak, the fibers pull out too easily. If it is too strong, the fibers
break without any pullout. Neither of these situations maximizes the toughness.
Therefore, the challenge in creating a tough CMC is not only creating this interface but
also finding a coating that will remain stable over time during exposure to elevated
temperatures. As service temperature increases, this latter requirement becomes more
challenging. For extended service, SiC-SiC CMCs currently are limited to about 1,400
°Celsius, but this is higher than the capability of metallic materials.
The matrix microcrack stress is also significant because once the matrix develops
microcracks, it allows the environment to gain access to the fiber-matrix interfaces. The
role of environment can be to alter the nature of the interface and reduce the extent of
pullout toughening. The obvious difficulty with this is that the properties are better
initially than after a period of exposure in service. This leads to a nonconservative
design that is dangerous. Absent an arbitrary knockdown, there currently exists no
means of estimating the reduced toughness as a function of service life.
Nevertheless, CMCs are the material class that holds the greatest promise of defeating
the temperature limits of current metals. An important issue at present is the limited
industrial base for producing CMCs and the even more restrictive range of suitable
ceramic fibers available for use as the reinforcement in CMCs. The cost of CMCs is
currently very high but should come down with increased demand, as happened with
TMCs. Even so, CMCs will always be expensive, making development of efficient designs
that make optimal use of this class of material important.
Carbon-Carbon Composites
Carbon-carbon composites (C-CCs) consist of carbon fibers in a typically amorphous
carbon matrix. In principle, this class of materials is very attractive because it has very
low density and high strength at elevated temperatures. C-CCs also have good
oxidation resistance at very high temperatures (1,200 °Celsius) because they use an
Si-rich coating that forms a stable, protective Si02 film on the surface. This coating
system is "self healing" if breached because, among other things, it is glassy (viscous)
and reforms over cracks. The principal vulnerability occurs at intermediate
temperatures where the viscosity of the glass is high enough that it may not flow
rapidly enough to heal a breach, exposing the reactive C substrate to the damaging
oxidizing environment. As with CMCs, there also are some questions concerning long
term changes in the fiber-matrix interfaces that are at least partially responsible for the
loss of impact toughness over time, as experienced in the Columb ia accident.
19
UNCLASSIFIED//FOA OFFICl.t.k Uilii Qptla¥Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 24, contando a capa.
TRECHO 18 · PÁGINA FÍSICA 25
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
Portanto, as instabilidades que causam reduções de tenacidade dependentes do tempo precisam ser compreendidas antes que esses materiais possam ser considerados candidatos a futuras aplicações de TPS.
Aluminetos de titânio
Os aluminetos de titânio são compostos intermetálicos que se formam entre o Ti e o Al. Existem três desses compostos (Ti3Al, TiAl e Al3Ti), mas o de principal interesse é o TiAl, muitas vezes chamado de alumineto de titânio gama ou γ-TiAl. Esse composto contém cerca de 35% de Al em peso, mas ligas ternárias e quaternárias baseadas em TiAl costumam conter um pouco menos que isso. O γ-TiAl é interessante para aplicações em temperaturas intermediárias por várias razões. Entre elas estão uma densidade menor, uma capacidade de temperatura pelo menos 125 °Celsius mais alta e melhor estabilidade superficial (resistência à oxidação) em comparação com as ligas de Ti convencionais. A camada superficial que se forma durante a oxidação do γ-TiAl é rica em Al e mais protetora do que a camada de TiO2 que se forma nas ligas de Ti convencionais. Como a maioria dos outros compostos intermetálicos, o γ-TiAl tem ductilidade muito limitada em temperaturas de até cerca de 600 °Celsius, mas não é frágil no sentido clássico; isto é, tem capacidade de se deformar plasticamente antes de fraturar. A ductilidade aumenta com a temperatura e é bastante boa nas temperaturas normais de serviço.
A ductilidade limitada das ligas de γ-TiAl cria problemas de fabricação para quaisquer produtos trabalhados. Esses problemas são administráveis, mas reduzem os rendimentos de produto, o que, por sua vez, afeta o custo. Trabalhos recentes na Áustria demonstraram que algumas ligas de γ-TiAl podem ser transformadas em chapa. Isso é particularmente relevante para aplicações como o TPS metálico. Outros trabalhos demonstraram que algumas ligas de γ-TiAl podem ser forjadas de maneira convencional, embora com cuidado. Caso um ou mais dos esforços em andamento para produzir pó de Ti pré-ligado de baixo custo se mostrem bem-sucedidos, a disponibilidade de pó de liga de γ-TiAl a preço acessível poderia ser um grande avanço de custo.
O desenvolvimento e a maturação das ligas de γ-TiAl levaram mais de 30 anos. Isso se deve em parte à falta de aplicações reais de produção, por causa das preocupações dos projetistas com a ductilidade limitada em baixa temperatura de todas as ligas de γ-TiAl. Hoje, finalmente, há várias aplicações de ligas baseadas em γ-TiAl, a mais significativa das quais são dois estágios de pás de turbina de baixa pressão no motor que a General Electric fornece para o Boeing 787 e para o 747 ampliado (chamado 747-8). Essas pás são fundidas em forma quase final e operarão em temperaturas de até cerca de 750 °Celsius. Outra aplicação é um rotor de turbocompressor de γ-TiAl fundido que a Mitsubishi usa em um automóvel de produção porque tem metade da massa de um componente equivalente de liga à base de Ni.
Uma aplicação potencialmente ideal, de alto volume, das ligas de γ-TiAl são as válvulas de escapamento de automóveis. Se o pó de baixo custo mencionado antes se tornar realidade, esse fator, somado à atual pressão para melhorar o consumo de combustível dos carros americanos, poderia tornar essa perspectiva realidade. O ponto desta breve discussão sobre aplicações das ligas de γ-TiAl não relacionadas ao espaço é que a realização de qualquer uma ou de todas essas aplicações criará uma base de produção mais forte para essa classe de liga, o que, por sua vez, tornará sua introdução em futuras plataformas espaciais mais fácil e mais econômica.
20
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Aluminetos de titânio como materiais para temperaturas intermediárias, com exemplos de uso em turbinas e automóveis.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/fFOA OFFIEIAk U&li ,u1k¥
Therefore, instabilities that cause time-dependent reductions in toughness must be
understood before these materials can be considered candidates for future TPS
applications.
Titanium Aluminides
Titanium aluminides are intermetallic compounds that form between Ti and Al. There
are three such compounds-T bAI, TiAI and AbTi-but the one of princ ipal interest is
TiAI, often referred to as gamma titanium aluminide or y-TiAI. This compound contains
about 35 weight% Al, but ternary and quaternary alloys based on TiAI typically contain
somewhat less than th is amount. y-TiAI is interest ing for intermediate-temperature
applications for several reasons. These include a lower density, at least a 125 °Celsius
higher temperature capability, and better surface stability (oxidation resistance)
compared with conventional Ti alloys. The surface scale that forms during oxidation of
y-TiAI is Al rich and is more protective than the TiO2 scale that forms on conventiona l Ti
alloys. Like most other intermetallic compounds, y-TiAI has very limited ductility at
temperatures up to about 600 °Celsius but is not brittle in the classical sense; that is, it
has the capability to deform plastically before fracturing. The ductility increases as
temperatures increase and is quite good at normal service temperatures.
y-TiAI alloys' limited ductility poses manufacturing problems for any wrought products.
These issues are manageable but reduce product yields, which in turn impacts cost.
Recent work in Austria has demonstrated that some y-TiAI alloys can be made into
sheet. This is particularly relevant to applications such as metallic TPS. Other work has
demonstrated that some y-TiAI alloys can be conventionally forged, albeit with care.
Should one or more of the efforts currently under way to produce low-cost, prealloyed
Ti powder prove successful, the availability of affordable y-TiAI alloy powder could be a
major cost breakthrough.
The development and maturation of y-TiAI alloys has taken more than 30 years. This is
in part due to the lack of actual production applications because of designer's concerns
regarding the limited low-temperature duct ility of all the y-TiAI alloys. Today, finally,
there are several applications of alloys based on y-TiAI, the most significant of which are
two stages of low-pressure turbine blades in the engine General Electric is providing for
the Boeing 787 and the growth 747 (called the 747-8). These blades are cast to near
net shape and will operate at temperatures up to about 750 °Celsius. Another
application is a cast y-TiAI turbocharger rotor Mitsubishi uses in a production auto
because it has half the mass of an equivalent Ni-base alloy component.
A potentially ideal, high-volume application of y-TiAI alloys is exhaust valves for autos.
If the low-cost powder mentioned earlier becomes a reality, th is factor, coupled with
the current pressure to improve fuel consumpt ion in American cars, could make this
prospect a reality. The point of this short discussion of non-space-related applications of
y-TiAI alloys is that realization of any or all of these applications will create a stronger
production base for this class of alloy, which in turn will make their introduction into
future space platforms easier and more cost effective.
20
UNCLASSIFIED{;6FOA: OFFICI0L Pili 011! XConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 25, contando a capa.
TRECHO 19 · PÁGINA FÍSICA 26
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
SISTEMAS DE PROPULSÃO
Entre os sistemas de propulsão, consideram-se aqui apenas os motores de foguete reutilizáveis, porque eles têm potencial para progresso significativo que poderia reduzir o custo de colocar cargas úteis em órbita.
O conceito básico do motor principal do ônibus espacial ainda é viável, mas a durabilidade dos materiais usados para fazer o equipamento tem sido uma grande despesa e uma fonte de preocupação para a NASA. Boa parte da preocupação está relacionada aos efeitos do hidrogênio sobre as ligas à base de Ni usadas nas turbobombas. As turbobombas são o coração de um motor foguete a combustível líquido de hidrogênio e oxigênio, porque entregam o combustível e o oxidante à câmara de empuxo. As turbobombas giram em velocidade muito alta, de até 35.000 rpm. Essas velocidades criam enormes tensões centrífugas nos componentes giratórios, particularmente nos discos que seguram as pás aerodinâmicas usadas para extrair trabalho do fluxo de gás quente. Um lado do rotor da turbobomba opera no fluxo de gás quente criado pela combustão da mistura de oxigênio e hidrogênio; o outro extremo é uma criobomba que opera em temperaturas criogênicas, seja em oxigênio líquido (90 K), seja em hidrogênio líquido (20 K). O lado quente, uma turbina, assemelha-se ao rotor de turbina de um motor a turbina a gás e é feito de muitas das mesmas ligas à base de Ni. A criobomba é feita de ligas de Ti.
A turbina opera essencialmente em um ambiente de vapor supercrítico rico em hidrogênio, a uma temperatura máxima de cerca de 1.050 °Celsius. O disco da turbina é uma liga à base de Ni forjada, e as pás aerodinâmicas são peças de fundição de precisão em monocristal. Nenhum dos dois materiais é bem adequado para operar em ambiente rico em hidrogênio; no entanto, nenhuma outra classe de material consegue suportar as temperaturas de operação e ter melhor tolerância ao hidrogênio, situação que ainda prevalece hoje. O mecanismo de trinca induzida por hidrogênio é muito mais bem compreendido hoje, como resultado de extensa pesquisa nos últimos 25 anos. Portanto, seria muito útil usar esse entendimento aprimorado para projetar uma liga à base de Ni com melhor tolerância ao hidrogênio. Se bem-sucedida, uma turbina com maior resistência à trinca por hidrogênio reduziria bastante o tempo e o custo de recondicionamento entre missões.
Tradicionalmente, as peças giratórias da criobomba foram feitas de forjados da liga de Ti quase α Ti-5Al-2,5Sn (Ti-5-2,5). Essa liga foi escolhida por sua resistência à tração com entalhe superior à do Ti-6-4 quando ensaiada em temperaturas criogênicas. Em retrospectiva, não está claro que a resistência à tração com entalhe seja o melhor critério para selecionar um material de rotor criogênico. O uso da resistência à tração com entalhe se originou com os aços. Neles, o estado de tensão hidrostática na raiz do entalhe poderia desencadear o início de fratura frágil do tipo visto em ensaios de tração de corpo liso abaixo da temperatura de transição dúctil-frágil (DBTT). As ligas de Ti não exibem DBTT; portanto, a tenacidade à fratura verdadeira, medida na temperatura relevante, é uma indicação mais precisa da resistência à fratura do rotor. Um exame dos limitados dados disponíveis de tenacidade à fratura das duas ligas não mostra vantagem clara no uso do Ti-5-2,5. Como o Ti-5-2,5 é mais difícil de produzir que o Ti-6-4, usá-lo acrescenta custo à criobomba. Outras ligas de Ti mais novas e de maior resistência, por exemplo, várias das ligas β de Ti mais novas, podem ser até mais adequadas do que o Ti-6-4 para essa aplicação. A questão crítica de quanta tenacidade é realmente necessária não pode ser respondida no momento, porque a razão de tração com entalhe tem sido o critério decisivo. Portanto, um novo
21
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Propulsão: turbobombas de motores de foguete reutilizáveis, fragilização por hidrogênio em superligas e a proposta de rever o critério de escolha do material do rotor criogênico.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED//P'OR. OP'Pl@IAL WSlii Ql'.L¥
PROPULSION SYSTEMS
Among propulsion systems, only reusable rocket engines are considered here because
they hold potential for significant progress that could reduce the cost of placing
payloads into orbit.
The basic concept of the space shuttle main engine is still viable, but the durability of
the materials used to make the hardware has been a major expense and source of
concern for NASA. Much of the concern is related to the effects of hydrogen on the Ni
base alloys used in the turbo pumps. The turbo pumps are the heart of a liquid-fueled
hydrogen-oxygen rocket engine because they deliver the fuel and oxidizer to the thrust
chamber. The turbo pumps rotate at a very high speed-up to 35,000 rpm. Such
speeds create enormous centrifugal stresses in the rotating components, particularly
the disks that hold the air foils used to extract work from the hot gas stream. One side
of the turbo pump rotor operates in the hot gas stream created by the combustion of
the oxygen-hydrogen mixture; the other end is a cryopump that operates at cryogenic
temperatures, either in liquid oxygen (90 K) or in liquid hydrogen (20 K). The hot side,
a turbine, resembles the turbine rotor in a gas turbine engine and is made of many of
the same Ni-base alloys. The cryopump is made of Ti alloys.
The turbine essentially operates in a hydrogen-rich supercritical steam environment at
a maximum temperature of about 1,050 °Celsius. The turbine disk is a forged Ni-base
alloy, and the air foils are single-crystal investment castings. Neither material is well
suited to operate in a hydrogen-rich environment; however, no other material class can
withstand the operating temperatures and has better hydrogen tolerance-a situation
that still prevails today. The mechanism of hydrogen-induced cracking is much better
understood today as the result of extensive research over the past 25 years. Therefore,
it would be very useful to use this improved understanding to design a Ni-base alloy
that has improved hydrogen tolerance. If successful, a turbine that has improved
resistance to hydrogen cracking would greatly reduce the intermission refurbishment
time and cost.
Traditionally, the cryopump rotating parts have been made from forgings of the near-o,
phase Ti alloy Ti-SAl-2.SSn (Ti-5-2.5). This alloy has been chosen for its superior
notched tensile strength compared with Ti-6-4 when tested at cryogenic temperatures .
Hindsight suggests it is unclear that notched tensile strength is the best criterion for
selecting a cryogenic rotor material. The use of notched tensile strength originated with
steels. Here, the hydrostatic stress state at t he notch root could trigger the onset of
brittle fracture of the type seen in smooth tensile tests below the ductile brittle
transition temperature (DBTT). Ti alloys do not exhibit a DBTT; therefore, true fracture
toughness measured at the relevant temperature is a more accurate indication of the
fracture resistance of the rotor. An examination of the limited available fracture
toughness data for the two alloys shows no clear advantage in using Ti -5-2.5. Because
Ti-5-2.5 is more difficult to produce than Ti-6-4, using Ti-5-2.5 adds cost to the
cryopump. Other, newer, higher strength Ti alloys-for example, several of the newer
~-Ti alloys-may be even better suited than Ti-6-4 is for this application. The critical
question of how much toughness is real ly required cannot be answered at present
because t he notched tensile ratio has been the deciding criterion. Therefore, a new
21
UNCLASSIFIED/;'FOR. OFFISIAL WSE 8HLYConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 26, contando a capa.
TRECHO 20 · PÁGINA FÍSICA 27
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
projeto de uma criobomba pode, potencialmente, se beneficiar desses novos materiais e do abandono do uso da resistência com entalhe como paradigma de projeto.
A câmara de combustão de um motor de foguete é feita de uma liga de cobre e é resfriada passando hidrogênio líquido por canais na parede externa. A câmara de combustão do motor principal do ônibus espacial é feita de NARloy-Z, uma liga Cu-3%Ag-0,5%Zr que tem excelente condutividade térmica e melhor resistência do que a liga comercialmente disponível Cu-0,15%Zr conhecida como AMZIRC. Embora uma câmara de combustão mais leve fosse bem-vinda, desenvolver materiais de turbina resistentes ao hidrogênio seria um uso muito melhor dos recursos disponíveis para o desenvolvimento de ligas de motores de foguete.
RESUMO E RECOMENDAÇÕES
Este documento procurou rever uma gama de materiais que podem ser promissores para todos os aspectos de plataformas aeroespaciais. Por causa da amplitude desse tema, a discussão se concentrou em oportunidades e riscos associados, mas com pouco detalhe técnico. Questões práticas, como capacidades de fabricação, custos e disponibilidade de materiais, também foram abordadas quando apropriado. Outra questão recorrente é a capacidade de alcançar maior eficiência de projeto por meio de um processo de síntese de projeto que trate simultaneamente forma, encaixe e função, capacidade de fabricação e capacidade dos materiais como restrições igualmente importantes. Embora essa abordagem ainda não tenha sido usada com sucesso em um grande projeto de estrutura de alto desempenho, a engenharia está se aproximando de um estado de desenvolvimento em que ela pode agora ser viável.
Se o ônibus espacial for usado como referência, está claro que existirão numerosas oportunidades de melhorar a eficiência estrutural. Essa possibilidade reflete o progresso feito desde que o ônibus espacial e seu motor foram projetados. Também são possíveis maior durabilidade e menor custo de operação. A questão do longo prazo de entrega que retarda esses métodos de projeto aprimorados é, na maioria das vezes, a da disponibilidade oportuna de materiais novos e atraentes, maduros o bastante para serem usados em um sistema sem aumentar o risco de falha. A comunidade de materiais está desenvolvendo e usando ativamente modelos computacionais e métodos de simulação para tratar dessa preocupação. Apesar de algum progresso, são necessários novos avanços para levar a engenharia computacional de materiais ao nível de maturidade desejado.
[referências bibliográficas no original]
1. Hatch, J., org. [referências bibliográficas no original] American Society for Metals, 1984.
2. Chawla, K. [referências bibliográficas no original] 2ª edição. Springer, 1998.
3. Baker, A., Dutton, S. e Kelly, D. [referências bibliográficas no original] 2ª edição. AIAA, 2002.
4. Lutjering, G. e Williams, J. [referências bibliográficas no original] 2ª edição. Springer, 2007.
5. Sims, C. e Hagel, W. [referências bibliográficas no original] Wiley, 1972.
6. Mishra, R. e Ma, Z. [referências bibliográficas no original] v. 50, p. 1-78, 2005.
22
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Fim da seção de propulsão, resumo do relatório e lista de seis referências bibliográficas; o texto de recomendações não traz itens numerados além do resumo.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ J'FOR OFFI@IAl W&liii 9PU.Y
design of a cryopump potentially can benefit from these new materials and from
abandoning the use of notched strength as a design paradigm .
The combustion chamber of a rocket engine is made from a copper alloy and is cooled
by passing liquid hydrogen through channels in the outer wall. The space shuttle main
engine combustion chamber is made of NARloy-Z, a Cu-3%Ag-0.5%Zr alloy that has
excellent thermal conductivity and better strength than the commercially available Cu-
0.15%Zr alloy known as AMZIRC. 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.
SUMMARY AND RECOMMENDATIONS
This document has attempted to review a range of materials that may have promise for
all aspects of aerospace platforms. Because of the breadth of this topic, discussion has
focused on opportunities and associated risks, but with little technical detail. Practical
issues such as manufacturing capabilities and costs and the availability of materials also
have been addressed where appropriate. Another recurring issue is the ability to
achieve better design efficiency through a design synthesis process that concurrently
treats form, fit and function, manufacturing capability, and materials capability as
equally important design constraints. Although this approach has yet to be successfully
used for a major high-performance structure project, engineering is nearing a state of
development where it may now be feasible.
If the space shuttle is used as a benchmark, it is clear that numerous opportunities will
exist to improve structural efficiency. This possibility reflects the progress made since
the shuttle and its engine were designed. Improved durability and reduced operating
cost also are possible. The issue of long lead time holding back these improved design
methods is most often one of timely availability of new, attractive materials that are
mature enough to be used in a system without increasing the risk of failure. The
materials community is actively developing and using computational models and
simulation methods to address this concern. Despite some progress, further advances
are required to bring computational materials engineering to the desired level of
maturity.
1. Hatch, J. ed . Aluminum, Propert ies and Physical Metallurgy . American Society for Metals, 1984 .
2. Chawla K. Composite Materials, Science and Engineering 2nd edition. Springer, 1998 .
3. Baker, A., Dutton, S. and Kelly, D. Composite Materials for Aircrah Structures 2nd edit ion. AIAA, 2002.
4. Lutjering, G and Williams, J. Titanium, 2nd edition . Springer, 2007.
5. Sims, C. and Hagel, W. The Superalloys. Wiley, 1972.
6. Mishra, R. and Ma, Z. Friction Stir Welding and Processing, Materials Science and Engineering. v.50, pp. 1-78,
2005.
22
UNCLASSIFIED/fFOR: OFFIQl.\k Uili Qfslk¥Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 27, contando a capa.
TRECHO 21 · PÁGINA FÍSICA 3
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
Sumário
Introdução ........ iv
Veículos lançadores ........ 1
Módulos tripulados reutilizáveis ........ 9
Veículos reutilizáveis de um só estágio até a órbita ........ 10
Ligas avançadas de Al ........ 11
Compósitos de matriz polimérica ........ 11
Compósitos de matriz de Al ........ 12
Ligas de Ti ........ 12
Compósitos de matriz de Ti ........ 14
Ligas à base de Ni ........ 16
Ligas de metais refratários ........ 18
Compósitos de matriz cerâmica ........ 18
Compósitos de carbono-carbono ........ 19
Aluminetos de titânio ........ 20
Sistemas de propulsão ........ 21
Resumo e recomendações ........ 22
Figuras
1. Diagrama esquemático da soldagem por fricção e mistura (friction stir welding) ........ 2
2. Transportador 747 especialmente modificado descarregando uma seção de barril de fuselagem em compósito de um Boeing 787 ........ 4
3. Micrografia mostrando a formação de fase na superfície de uma liga de Ti exposta ao ar em temperatura elevada ........ 13
4. Micrografia de seção transversal de um compósito de matriz de Ti ........ 15
Tabelas
1. Materiais potenciais por faixa de temperatura de uso e propriedade ........ 10
2. Exemplo de propriedades de compósitos de matriz de Ti ........ 14
iii
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Sumário do relatório, com a lista das quatro figuras e das duas tabelas.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI@IAl W&lii 9PU.Y
Contents
Introduction ........................................................................................................... iv
Launch Vehicles ................................................................................................. 1
Reusable Crew Modules ...................................................................................... 9
Reusable Single-Stage-to-Orbit Vehicles ...................................................... 10
Advanced Al Alloys ....................................................................................... 11
Polymer Matrix Composites .......................................................................... 11
Al Matrix Composites .................................................................................... 12
Ti Alloys ....................................................................................................... 12
Ti Matrix Composites .................................................................................... 14
Ni-base Alloys .............................................................................................. 16
Refractory Metal Alloys ................................................................................ 18
Ceramic Matrix Composites .......................................................................... 18
Carbon-Carbon Composites .......................................................................... 19
Titanium Aluminides .................................................................................... 20
Propulsion Systems .......................................................................................... 21
Summary and Recommendations ..................................................................... 22
Figures
1. Schematic Diagram of Friction Stir Welding ....................................................... 2
2. Specially Modified 747 Transporter Unloading a Boeing 787 Composite
Fuselage Barrel Section ..................................................................................... 4
3. Micrograph Showing Phase Formation at the Surface of a Ti Alloy That has
Been Exposed to Air at Elevated Temperature ................................................. 13
4. Cross-Section Micrograph of a Ti Matrix Composite .......................................... 15
Tables
1. Potential Materials by Use Temperature Regime and Property ......................... 10
2. Example of Properties of Ti Matrix Composites ................................................ 14
iii
UNCLASSIFIED/ /FOR 0FFI€1Ak Uili ,u1k¥Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 3, contando a capa.
TRECHO 22 · PÁGINA FÍSICA 4
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
Materiais para Plataformas Aeroespaciais Avançadas
Introdução
"Plataformas aeroespaciais avançadas" é um tema amplo, que pode ser dividido em vários subtemas mais restritos para permitir uma discussão mais concisa dos avanços, desafios e oportunidades em materiais. Por isso, este documento trata separadamente das áreas de veículos lançadores, veículos espaciais e sistemas de propulsão espacial, porque seus requisitos principais costumam ser específicos de cada aplicação, o que afeta as decisões de seleção de materiais. Além disso, foguetes de uso único e reutilizáveis têm requisitos de durabilidade diferentes, que incidem diretamente sobre o projeto e a escolha dos materiais. Além disso, a prática atual da engenharia evoluiu a ponto de a síntese do projeto precisar integrar a estrutura e os materiais de construção para alcançar o desempenho ótimo do produto. Por exemplo, o ônibus espacial foi projetado para cumprir requisitos de missão impostos pelo cliente (alcance, carga útil, peso vazio, capacidade de pouso e assim por diante) sem uma consideração significativa, em tempo real, da capacidade dos materiais. Essa abordagem levou a compromissos importantes nas etapas posteriores do desenvolvimento e da maturação do ônibus espacial. (É discutível que hoje o ônibus espacial pudesse ser projetado como um veículo mais eficiente.) No extremo, um fracasso de engenharia espetacular foi o Plano Aeroespacial Nacional (National Aerospace Plane, também chamado de Orient Express), que foi lançado como projeto militar e pretendia ser um veículo de ataque reutilizável a Mach 12. O projeto rapidamente passou a ser limitado pelos materiais e foi cancelado em 1993, depois de cerca de 750 milhões de dólares em gastos federais de pesquisa e desenvolvimento e de um investimento substancial do setor privado. A questão é que qualquer "projeto de folha em branco" deve começar com uma avaliação dos requisitos dos materiais de construção e ser acompanhado de uma avaliação realista da capacidade dos materiais hoje disponíveis para atender a essas necessidades. Se essas duas avaliações indicarem uma lacuna entre os requisitos e a capacidade dos materiais existentes, é preciso elaborar uma avaliação de risco e um plano de mitigação de risco antes de gastar horas de engenharia e recursos.
Desde o início do voo espacial tripulado, a abordagem de projeto mudou e passou a incluir o conceito de tolerância a danos. Essa mudança de filosofia de projeto foi motivada pelo reconhecimento (eventual) de que estruturas complexas não podem ser projetadas e produzidas com zero defeito. Com a maturação da mecânica da fratura e dos meios de levar esses conceitos à prática, a transição do zero defeito para a tolerância a defeitos tornou-se a norma. Essa nova abordagem, por sua vez, levou ao reconhecimento de que os materiais de alto desempenho exigiam não só resistência e rigidez específicas elevadas, mas também aumentos de resistência acompanhados de melhorias simultâneas na tenacidade à fratura e na resistência ao crescimento de trincas por fadiga. A introdução da tolerância a danos foi acompanhada de uma ênfase renovada nas capacidades de inspeção não destrutiva. Esse último esforço foi movido pela necessidade de demonstrar a capacidade de localizar, de modo reprodutível, pequenas falhas que poderiam se tornar pontos de início de falha, seja por carregamento estático, seja por carregamento cíclico. No caso do voo atmosférico, a Força Aérea dos EUA introduziu padrões para estruturas de células de aeronaves (o Aircraft Structural Integrity Program) e para sistemas de propulsão (o Engine Structural Integrity Program) que vinculam a vida estrutural e a confiabilidade à
iv
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Introdução do relatório: delimita o tema e usa o ônibus espacial e o projeto Orient Express como exemplos de limitação por materiais.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ /FOA OFFI€1Ak Ulilii ONkY
Materials for Advanced Aerospace Platforms
Introduction
"Advanced aerospace platforms" is a broad topic that can be divided into
several narrower subtopics to enable a more concise discussion of materials
advances, challenges, and opportunities. Consequently, this document
discusses the areas of launch vehicles, space vehicles, and space propulsion
systems separately because their key requirements are often application
specific, which affects materials selection decisions. In addition, single-use
and reusable boosters have different durability requirements that directly
impinge on design and materials selection. Furthermore, current engineering
practice has evolved to the point that design synthesis must integrate the
structure and construction materials to achieve optimum product performance.
For example, the space shuttle was designed to meet customer-imposed
mission requirements (range, payload, empty weight, landing capability, and
so forth) without significant real-time consideration of materials capability.
This approach led to significant compromises at later stages in the shuttle's
development and maturation. (Arguably, the shuttle could be designed as a
more efficient vehicle today.) 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. 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. If these two
assessments indicate a gap between requirements and existing materials
capability, a risk assessment and a risk-mitigation plan must be developed
before expending engineering hours and funds.
Since the inception of manned space flight, the approach to design has
changed to include the concept of damage tolerance. This shift in design
philosophy was prompted by the (eventual) recognition that complex
structures cannot be designed and produced with zero defects. With the
maturation of fracture mechanics and means of reducing these concepts to
practice, the transition from zero defects to defect tolerance became the norm.
This new approach in turn led to recognition that high-performance materials
required not only high specific strength and stiffness but pacing increases in
strength with simultaneous improvements in fracture toughness and fatigue
crack growth resistance. The introduction of damage tolerance was
accompanied by a renewed emphasis on nondestructive inspection capabilities.
This latter thrust was driven by the need to demonstrate the capability to
reproducibly locate small flaws that could become failure initiation sites,
either because of static or because of cyclic loading conditions. In the case of
atmospheric flight, the U.S. Air Force has introduced standards for airframes
(the Aircraft Structural Integrity Program) and propulsion systems (the
Engine Structural Integrity Program) that tie structural life and reliability to
iv
UNCLASSIFIED/ /FOA OFFl&IAI:: U&li &Ptl::lfConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 4, contando a capa.
TRECHO 23 · PÁGINA FÍSICA 5
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
capacidade de inspeção demonstrada. A aplicação desses padrões, começando pelo bombardeiro B-1 e pelos motores F-100 e F-110, reduziu drasticamente (mas não eliminou) a incidência de falhas catastróficas de componentes críticos que põem em risco tripulações, veículos ou ambos.
Levando essas mudanças em conta, este documento descreve a situação atual do projeto e da produção de estruturas de alto desempenho para plataformas aeroespaciais, incluindo veículos lançadores, veículos espaciais e sistemas de propulsão para transportar veículos espaciais (e cargas úteis) até a órbita.
v
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Conclusão da introdução, que limita o estudo a lançadores, veículos espaciais e propulsão.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ /FOR OFFl@IAL l:ISl!!! 9HtY
this demonstrated inspections capability. Implementation of these standards,
starting with the B-1 bomber and the F-100 and F-110 engines, has
dramatically reduced (but not eliminated) the incidence of catastrophic
failures of critical components that endanger crews, vehicles, or both.
Taking these changes into account, this document outlines the current
situation regarding the design and production of high-performance structures
for aerospace platforms, including launch vehicles, space vehicles, and
propulsion systems for transporting space vehicles (and payloads) into orbit.
V
UNCLASSIFIED/ /FOR. OFFISIAI: YSE OHL\«Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 5, contando a capa.
TRECHO 24 · PÁGINA FÍSICA 6
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
Materiais para Plataformas Aeroespaciais Avançadas
VEÍCULOS LANÇADORES
Para os fins deste documento, veículos lançadores são definidos como a estrutura que sustenta e/ou envolve o sistema de propulsão, o suprimento de combustível e o módulo da tripulação ou da carga útil. Os veículos lançadores atuais são de uso único ou de uso múltiplo depois de recuperados e extensamente recondicionados. Essa abordagem acrescenta bastante ao custo de transportar uma libra de carga útil para a órbita da Terra, seja um satélite não tripulado, seja um módulo orbital tripulado que precisa suportar as temperaturas e as cargas associadas ao retorno seguro à Terra. Além disso, quanto maiores as cargas úteis, maiores as forças de reação que o veículo lançador precisa suportar durante o lançamento. Como o peso total da carga útil, o peso vazio do veículo lançador e o combustível precisam todos ser levantados inicialmente, propulsão eficiente em combustível e veículos lançadores leves são essenciais para maximizar a carga útil. Exceto na área em torno do escapamento do sistema de propulsão, as temperaturas que os veículos lançadores experimentam durante o lançamento não são exigentes. Por isso, ligas avançadas de alumínio (Al) de alta resistência e compósitos de matriz polimérica reforçados com fibra de carbono (PMCs) são candidatos principais para as partes da estrutura que sofrem cargas aerodinâmicas e nas quais o aquecimento aerodinâmico não passa de cerca de 125 °Celsius. Uma classe de ligas avançadas de Al são as ligas com lítio (Li), como a liga de Al 2090. Essa liga contém Li suficiente para reduzir sua densidade em 8 por cento e aumentar o módulo de elasticidade (E) em 10 por cento. Outras ligas de Al avançadas, mais novas, como a 7050 e a 2050, foram desenvolvidas para ter melhor tolerância a danos. Essas ligas têm excelente resistência específica à temperatura ambiente ou próximo dela e não sofrem grande perda de ductilidade em temperaturas criogênicas. As variantes mais novas das ligas de Al das séries 2000 e 7000 também têm resistência substancialmente melhor à maioria dos tipos de corrosão, incluindo a esfoliação e a trinca por corrosão sob tensão. Isso pode ser importante em um veículo reutilizável.
Talvez o aspecto mais importante das ligas de Al aprimoradas seja sua maior tenacidade à fratura, obtida por uma combinação de controle da composição da liga e de processamento aprimorado. No controle da composição da liga, as concentrações dos elementos residuais ferro (Fe), cromo (Cr), manganês (Mn) e silício (Si) são reduzidas na etapa do lingote. Esses elementos se combinam com o Al para formar compostos intermetálicos duros e frágeis, conhecidos como fases constituintes. As ligas avançadas contêm fases constituintes menos numerosas e menores, o que leva a maior resistência à fratura e a valores mais altos de tenacidade à fratura. Em aplicações como o revestimento do corpo de aeronaves comerciais, essa tenacidade melhorada permitiu aumentar o espaçamento das cavernas circunferenciais da fuselagem, ou "seções em chapéu", que servem ao mesmo tempo como reforços e como contenção de trincas para evitar uma falha catastrófica durante a pressurização. Para qualquer tensão de operação dada (neste caso, a tensão de pressurização), o espaçamento das cavernas está diretamente relacionado ao tamanho crítico de trinca do revestimento do corpo. Ligas de maior tenacidade têm tamanhos críticos de trinca maiores, e as cavernas podem ficar mais afastadas sem aumentar o risco de falha catastrófica. O maior espaçamento permite, em última análise, um projeto de fuselagem que requer menos cavernas. Em consequência, o avião se beneficia de uma redução proporcional tanto no peso quanto no custo de fabricação. Possibilidades semelhantes existem para o projeto de um veículo lançador à prova de falhas, com menor peso vazio. É claro que as ligas de Al avançadas oferecem melhorias intrínsecas em relação às ligas usadas no veículo lançador Saturn e abrem a perspectiva de projetos de veículos lançadores novos e mais eficientes.
1
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Início do capítulo sobre veículos lançadores: ligas de alumínio avançadas para as partes da estrutura que sofrem baixas temperaturas.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ /FOR 8FFI@IAL t:191!! l>flt I
Materials for Advanced Aerospace Platforms
LAUNCH VEHICLES
For the purposes of this document, launch vehicles are defined as the structure that
supports and/or encloses the propulsion system, the fuel supply, and the crew or
payload module. Launch vehicles today are either single use or multiple use after
recovery and extensive refurbishment. This approach adds considerably to the cost of
transporting a pound of payload into earth orbit, regardless of whether an unmanned
satellite or a manned orbiting crew module that must withstand the temperatures and
loads associated with safe reentry to earth. Furthermore, the larger the payloads are,
the greater are the reaction forces the launch vehicle must with stand during launch.
With the total weight of the payload, the empty weight of the launch vehicle, and fuel
all needing to be lifted initially, fuel-efficient propulsion and lightweight launch vehicles
are essential to maximizing the payload. Except in the area around the propulsion
system exhaust, the temperatures experienced by launch vehicles during launch are not
demanding. Therefore, advanced, high-strength aluminum (Al} alloys and polymer
matrix carbon fiber composites (PMCs) are prime candidates for the parts of the
structure that experience aerodynamic loads and where aerodynamic heating does not
exceed about 125 °Celsius. One class of advanced Al alloys is the lithium (Li)-bearing
alloys, such as Al alloy 2090. This alloy contains enough Li to reduce its density by 8
percent while increasing the elastic modulus (E) by 10 percent. Other, newer advanced
Al alloys, such as 7050 and 2050, have been developed to have improved damage
tolerance. These alloys have excellent specific strength at or near room temperature
and experience no major loss of ductility at cryogenic temperatures. The newer variants
of the 2000 and 7000 Al alloys also have substantially improved resistance to most
types of corrosion, including exfoliat ion and stress corrosion cracking. This can be
important in a reusable vehicle.
Perhaps the most important aspect of the improved Al alloys is their higher fracture
toughness, accomplished through a combination of alloy composition control and
improved processing. In alloy composition control, the concentrations of the residual
elements iron (Fe), chromium (Cr), manganese (Mn), and silicon (Si) are reduced at
the ingot stage. These elements combine with Al to form hard, brittle intermetallic
compounds known as constituent phases. The advanced alloys contain fewer, smaller
constituent phases, leading to improved fracture resista nce and higher fracture
toughness values. In applications such as body skins for commercial aircraft, this
improved toughness has enabled an increase in t he spacing of the circumferential
fuselage frames, or "hat sections," that serve both as stiffeners and as crack stoppers
to prevent a catastrophic failure during pressurization. For any given operat ing stress
in this case the pressurization stress-the spacing of the frames is directly related to
the critical crack size of the body skin . Higher toughness alloys have larger critical crack
sizes, and the frames can be spaced further apart without increasing t he risk of
catastrophic failur e. The increased spacing ultimately allows a fuselage design that
requires fewer frames. Consequently, the airplane benefits from a commensurate
reduction both in weight and in manufacturing cost. Similar possibilities exist for the
design of a fail-safe launch vehicle that has a lower empty weight. Clearly, the
advanced Al alloys offer intrinsic improvements over the alloys used in the Saturn
launch vehicle and introduce the prospect of new, more effic ient launch vehicle designs.
1
UNCLASSIFIED/ ,'FOR 8FFI&i1Ak Uili ODIL\'Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 6, contando a capa.
TRECHO 25 · PÁGINA FÍSICA 7
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
As ligas de Al mais novas também podem ser processadas de modo especial para se tornarem formáveis em regime superplástico. Essa capacidade abre um campo de possibilidades para substituir estruturas que, sem ela, são usinadas a partir de chapas grossas. Estruturas muito grandes são produzidas em seções que precisam ser unidas. As técnicas convencionais de soldagem por fusão não funcionam para ligas de Al de alta resistência como 7075, 7050, 2024 ou 2050, porque ou as soldas levam a trincas, ou as soldas feitas em condições que evitam a trinca têm propriedades de tração muito reduzidas. Como essas ligas não se prestam à soldagem, é preciso usar juntas fixadas mecanicamente, mais pesadas e sujeitas à fadiga. Recentemente, cientistas desenvolveram um processo de união que permite unir ligas de Al como a 7050. Esse processo, chamado soldagem por fricção e mistura (friction stir welding, FSW), permite projetos de juntas em várias configurações que não eram consideradas possíveis quando a soldagem por fusão era a única alternativa.
Na FSW, uma ferramenta de aço giratória é inserida na junta entre as duas peças de liga de Al a unir. À medida que a ferramenta giratória avança, o atrito entre a ferramenta e a peça gera calor suficiente para amolecer a liga de Al sem fundi-la. Um esquema desse processo aparece na Figura 1.
[Figura 1, esquema com os rótulos: rotação da ferramenta; lado de avanço; lado de recuo; velocidade da ferramenta.]
Figura 1. Diagrama esquemático da soldagem por fricção e mistura
A ação combinada da rotação e do deslocamento da ferramenta essencialmente amassa as duas peças uma contra a outra, deixando uma junta mecanicamente sólida. Embora as propriedades da solda possam ser um pouco inferiores às do metal de base, elas são boas o bastante para que um aumento relativamente pequeno de espessura na posição da junta possa compensá-las. Embora um desenvolvimento substancial do processo FSW continue em andamento, a FSW já foi posta em prática. Por exemplo, o atual tanque externo de propelente do ônibus espacial é feito de uma liga de Al-Li fabricada por FSW. A vantagem de peso de usar juntas soldadas em vez de parafusadas em uma estrutura grande, como um veículo lançador, é considerável. Com ligas de alta resistência anteriores, como a 7075, as preocupações com a tenacidade à fratura em conjunto com estruturas monolíticas teriam feito com que uma construção soldada
2
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Descreve a soldagem por fricção e mistura de ligas de alumínio; a Figura 1 é um esquema do processo, sem fotografia de objeto.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/} FOR OFFICil<L l:191!!! 8HL1/
The newer Al alloys also can be specially processed to render them superplastically
formable . This capability opens a realm of possibilities to replace structures that, in the
absence of this capability, are machined from thick plate. Very large structures are
produced in sections that must be joined. Conventional fusion welding techniques do
not work for high-strength Al alloys such as 7075, 7050, 2024, or 2050 because either
the welds lead to cracks or the welds made under conditions that avoid cracking have
greatly reduced tensile properties. Because these alloys are not amenable to welding,
heavier, fatigue-prone mechanically fastened joints must be used. Recently, scientists
developed a joining process that permits joining of Al alloys such as 7050. This process,
called friction stir welding (FSW), allows joint designs in a variety of configurations that
were not considered possible when fusion welding was the only alternative.
In FSW, a rotating steel tool is inserted into the seam between the two Al alloy pieces
to be joined. As the rotating tool is driven forward, the friction between the tool and the
work piece generates enough heat to soften the Al alloy without melting it. A schematic
of this process is shown in Figure 1.
retreating
side
Tool
/
Figure 1. Schematic Diagram of Friction Stir Welding
The combined action of the rotation and the traversing of the tool essentially kneads
the two pieces together, leaving a mechanically sound joint. Although the weld
properties may be somewhat inferior to those of the base metal, they are good enough
that a relatively small increase in thickness at the joint position can compensate .
Although substantial development of the FSW process is ongoing, FSW already has
been put into practice. For example, the current external propellant tank on the space
shuttle is made from an Al-Li alloy fabricated through FSW. The weight advantage of
using welded as opposed to bolted joints in a large structure such as a launch vehicle is
considerable. With earlier high-strength alloys such as 7075, concerns about fracture
toughness in conjunction with monolithic structures would have caused a welded
2
UNCLASSIFIED/ /FOR. OFFl&IAI:: W&li &Ptl::lfConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 7, contando a capa.
TRECHO 26 · PÁGINA FÍSICA 8
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
fosse considerada arriscada demais. Hoje, a combinação de ligas de maior tenacidade e de FSW abre a possibilidade de maior flexibilidade de projeto, resultando em estruturas grandes mais leves, com confiabilidade igual ou maior que a das anteriores.
Em suma, veículos lançadores metálicos, não reutilizáveis (ao menos nominalmente), feitos de ligas de Al avançadas e fabricados por FSW constituem uma melhoria incremental, mas significativa, em relação às versões anteriores.
Nos últimos anos, os PMCs amadureceram de forma significativa. Para muitos componentes que não ficam expostos a temperaturas elevadas, os PMCs oferecem um grau de flexibilidade de projeto que não está facilmente disponível nos metais. Em consequência, os materiais PMC começaram a substituir as ligas de Al na construção de aeronaves comerciais subsônicas. O uso de PMCs na empenagem do Boeing 777 foi um dos primeiros exemplos de ligas de Al sendo substituídas. Depois, o novo Boeing 787 passou a ter mais estrutura feita de compósitos do que de materiais metálicos. Uma vez que PMCs são introduzidos em uma estrutura em quantidade significativa, surge também uma restrição relacionada à incompatibilidade galvânica entre a estrutura de PMC e quaisquer ligas de Al adjacentes. Quando uma estrutura de PMC fica em contato direto com uma estrutura de liga de Al, pode ocorrer corrosão catastrófica dos componentes de liga de Al. No Boeing 787, o remédio para essa preocupação é o uso de ligas de titânio (Ti) nas áreas em que há contato direto entre as estruturas metálicas e as de PMC. Isso é diretamente análogo à bucha de plástico que um encanador coloca na junção entre tubulações de cobre e de ferro. Apesar dessa restrição, a resistência e a rigidez específicas das estruturas de PMC constituem um argumento convincente para sua aplicação em estruturas de alto desempenho, como veículos lançadores.
Estruturas de compósito podem ser fabricadas por um de três métodos: laminação manual de pré-impregnado, deposição automatizada de fitas de fibra e moldagem por transferência de resina.
• O mais rudimentar deles, mas também o mais flexível, é a laminação manual de pré-impregnado. Esse método usa folhas de material que contêm a fibra e a matriz polimérica (chamadas de pré-impregnado, ou pre-preg). A matriz polimérica pode ser termofixa (por exemplo, epóxi) ou termoplástica. As lâminas individuais são cortadas do pré-impregnado, em geral com um dispositivo de corte a laser ou mecânico de controle numérico, e são empilhadas para formar a forma desejada. As áreas com cargas mais pesadas contêm localmente mais lâminas, e as lâminas são cortadas com uma orientação em relação à direção das fibras no pré-impregnado de modo a obter a resistência desejada em relação ao caminho principal de carga. Essas lâminas são cuidadosamente posicionadas conforme um desenho (planta), o que faz da laminação manual um processo intensivo em mão de obra e, portanto, torna caras as peças feitas por esse método. Durante a colocação das lâminas, é crucial que não se introduzam rugas, pois elas causam reduções severas da capacidade local de suportar carga do componente final. Quando todas as lâminas estão em seus lugares, a peça é colocada em um saco estanque a vácuo, que é evacuado e levado a uma autoclave para a cura da matriz epóxi ou a fusão do termoplástico. Uma desvantagem do pré-impregnado de matriz termofixa é a vida útil limitada de armazenamento. Na prática, isso é administrado em certa medida guardando o pré-impregnado em um congelador para reduzir a velocidade da reação química que endurece o epóxi. No entanto, isso não interrompe completamente a reação, de modo que esses materiais têm uma vida útil de armazenamento além da qual não são facilmente manipulados durante a laminação e não desenvolvem plena resistência depois da cura na autoclave. Um problema adicional é o tempo fora do congelador: o tempo em que o pré-impregnado pode ficar fora do congelador durante a laminação antes que a reação se acelere e chegue a um ponto em que o
3
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Compara ligas de alumínio e compósitos de matriz polimérica e começa a descrever a laminação manual de pré-impregnado.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED//POlt OPPl@IAL YSI!! 8HLY
construction to be considered too risky. Today, the combination of higher toughness
alloys and FSW opens up the possibility of greater design flexibility result ing in lighter
large structures with equal or greater reliability than earlier ones.
In sum, metall ic, nonreusable (at least nominally so) launch vehicles made from
advanced Al alloys and fabricated through FSW constitute an incremental but significant
improvement over earlier versions.
In recent years , PMCs have matured significantly. For many components that are not
exposed to elevated temperatures, PMCs provide a degree of design flexibility not
readily available in meta ls. Consequently, PMC mater ials have begun to supplant Al
alloys in the construction of commerc ial subsonic aircraft. The use of PMCs in the
empennage of the Boeing 777 was one of the first examp les of Al alloys being
displaced. Subsequent ly, the new Boeing 787 has more structure made from
compos ites than from metall ic materials. Once PMCs are introduced into a structure in
significant quant it ies, a constraint related to galvanic incompatib ility between the PMC
st ructure and any adjo ining Al alloys also is introduced. When a PMC structure is in
direct contact with an Al alloy structure, catastrophic corrosion of the Al alloy
components can occur. In the Boeing 787, the remedy for this concern is the use of
titan ium (Ti) alloys in areas where there is direct contact between the metallic and the
PMC structures. This is directly analogous to the plastic bushing a plumber puts in the
j oint between copper and iron piping. Notwithstanding this constra int, the specific
strength and stiffness of PMC structures make a compe lling argument for the ir
application in high-performance structures, such as launch vehicles.
Composite structures can be manufactured using one of three methods: hand layup of
pre-preg, automated tow placement, and resin transfer moldi ng.
• The most rudimentary of these, but also the most flexible, is hand layup of pre -preg.
This method uses sheets of material that contain both the fiber and the polymeric
matrix (called pre-preg). The polymer ic matrix can be either a thermoset (for
example, epoxy) or a the rmoplast ic. Individua l plies are cut from the pre-preg
typica lly using a numer ically controlled laser or mechanical cutting device and are
laid up to form the desired shape. Areas that have heavie r loads contain more plies
locally, and the plies are cut in an orientation with respect to the fiber direction in
the pre-preg to achieve the desired strength relative to the principal load path.
These plies are carefully placed according to a drawing (bluepr int), making hand
layup a labor-intensive process and, therefore , mak ing parts made using th is
met hod expensive . During ply placement, it is crit ical that no ply wrinkles are
introduced, as these create severe reductions in the local load-bearing capability of
the final component. Once all the plies are in the ir proper places, the article is
placed in a vacuum-tight bag that is evacuated and placed in an autoclave for curing
of the epoxy matr ix or fusing of the thermop lastic. A disadvantage of a pre-preg
whose matrix is a thermoset is lim ited shelf life. In practice , this is managed to a
degree by storing the pre-preg in a freezer to slow the rate of chemica l reaction that
sets the epoxy . However, th is does not completely halt the reaction, causing these
mater ials to have a shelf life beyond which they are not easily manipulated duri ng
layup and do not develop full strength after curing in the autoclave. An addit ional
issue is out time-the time the pre-preg can be out of the freezer during layup
before the reaction proceeds at an accelerated rate and reaches a point at which the
3
UNCLASSIFIED//F8R 8FFUiil>I. 11&5 ON! XConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 8, contando a capa.
TRECHO 27 · PÁGINA FÍSICA 9
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]
material deixe de ser adequado pelas razões já expostas. Evidentemente, o tempo necessário para a laminação impõe limitações práticas ao tamanho do componente.
• Na deposição automatizada de fitas, finas fitas de pré-impregnado são alimentadas a partir de um tambor ou enroladas em uma máquina de controle numérico computadorizado que as coloca na posição desejada. Em princípio, esse processo troca o custo recorrente de mão de obra por investimento inicial de capital (a máquina de deposição) e tempo de programação. Se o volume previsto de peças idênticas for alto o bastante para amortizar o investimento de capital e, em particular, o custo de programação, esse pode ser um meio atraente de reduzir os custos de fabricação. Para formas axissimétricas, como cilindros, o processo se torna essencialmente um enrolamento e é bastante eficiente. Um exemplo de seção de barril de fuselagem de compósito acabada para o Boeing 787 aparece na Figura 2. Para formas tridimensionais mais irregulares, como uma longarina ou um suporte, posicionar as fitas se torna muito mais difícil e representa uma limitação fundamental. Consequentemente, estruturas de PMC de formas complexas ainda são, em sua maior parte, feitas pelo processo de laminação manual. Uma variante da deposição automatizada de fitas é a compressão, em que uma pré-forma, feita por deposição automatizada de fitas, é forçada por uma prensa dentro de uma matriz pré-moldada. Esse processo permite fabricar formas mais complexas, mas a rigidez da fibra e a extrema anisotropia das fitas podem levar a rugas, que são inaceitáveis por causa das reduções de propriedades que provocam.
[Figura 2, fotografia]
Figura 2. Transportador 747 especialmente modificado descarregando uma seção de barril de fuselagem em compósito de um Boeing 787
• O terceiro método principal de fabricação de compósitos, a moldagem por transferência de resina (RTM), começa com uma manta de fibra tecida ou uma pré-forma. A matriz polimérica é injetada nessa manta para criar um compósito totalmente denso. O principal benefício da RTM é que ela permite usar uma trama tridimensional, que minimiza o risco de delaminação entre as lâminas. Note-se que, nos outros dois métodos, o material é reforçado em apenas duas dimensões (o plano do pré-impregnado ou das fitas). As limitações da RTM incluem a viscosidade das resinas usadas. Se a resina for viscosa demais, a injeção ou distorcerá a arquitetura de fibras da pré-forma tecida ou não penetrará totalmente na pré-forma,
4
NÃO CLASSIFICADO//[PARA USO OFICIAL SOMENTE, tachado no original]Nota editorial: Descreve a deposição automatizada de fitas e a moldagem por transferência de resina; a Figura 2 é uma fotografia de uma seção de fuselagem de compósito do Boeing 787 sendo descarregada.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED// FOR OFFICll<L l:l!H!! 8PtLY
material is not suitable for the reasons stated earlier. Clearly, the time required for
layup places practical limitations on component size.
• In automated tow placement, thin ribbons of a pre-preg are fed off a drum or rolled
into a computer numerically controlled machine that places them in the desired
position. In principle, this process trades recurring labor cost for up-front capital
investment (the tow placement machine) and programming time . If the anticipated
volume of identical parts is high enough to amortize the capital investment and,
particularly, the programming cost, this can be an attractive means of reducing
manufacturing costs. For axisymmetric shapes, such as cylinders, this essentially
becomes a winding process and is quite efficient. An example of a finished
composite fuselage barrel section for the Boeing 787 is shown in Figure 2. For more
irregular three -dimens ional shapes, such as a spar or a strut, placing the tows
becomes much more difficult and presents a fundamental limitat ion. Consequently,
PMC structures with complex shapes are still for the most part made using the hand
layup process. A variant of automated tow placement is compression, whereby a
preform, made by automated tow placement, is forced by a press into a preshaped
die. This process allows fabrication of more complex shapes, but the rigidity of the
fiber and the extreme anisotropy of the tows can lead to wrinkles, which are not
acceptable because of the reductions in properties these cause.
Figure 2. Specially Modified 747 Transporter Unloading a Boeing 787 Composite Fuselage Barrel
Section
• The third main composite fabrication method, resin transfer molding (RTM), begins
with a woven fiber mat or preform. The polymeric matrix is injected into this mat to
create a fully dense composite. The major benefit of RTM is that it permits use of a
three-dimensional weave that minimizes the risk of delamination between plies.
Note that, with the other two methods, the material is reinforced in only two
dimensions (the plane of the pre-preg or tows). RTM's limitations include the
viscosity of the resins used. If the resin is too viscous, injecting it will either distort
the fiber architecture of the woven preform or not fully penetrate the preform,
4
UNCLASSIFIED/ /FOR 8FFI@IAL YSE erttl/Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 9, contando a capa.
Datas e contexto documental
- Acontecimento
- Não estabelecida — Não há evento observado; o documento é um estudo técnico.
- Documento
- 12/01/2010 — Data da capa: 12 de janeiro de 2010, com data de corte de informação de 1º de dezembro de 2009.
- Publicação
- Não estabelecida — A data de liberação pública não consta destas páginas.
Origem e divulgação
Agência de Inteligência de Defesa (DIA), Escritório de Alerta de Defesa, Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) · DOW-UAP-D120_AAWSAP-DIRD-Materials-for-Advanced-Aerospace-Platforms-January-12-2010.pdf
Páginas físicas 1 a 27; número DIA-08-0912-008
Relatos relacionados e suas diferenças
- Contratação da BAASS pela DIA, 2008
- DIRD sobre cabines para voo de ruptura
- DIRDs sobre fusão aneutrônica
Perguntas para continuar a investigação
- Por que o Escritório de Alerta de Defesa encomendou uma revisão de materiais convencionais, e que uso a DIA fez dela?
- Quem é o autor oculto como AAP Person 66 e a que instituição ele se vinculava?
- As recomendações finais do relatório foram suprimidas na liberação ou o texto termina mesmo no resumo?
GEOGRAFIA DO CASO
Washington, D.C., EUA
Referência aproximada à sede da instituição, posicionada pela redação. Não indica local de qualquer observação.
RASTRO DOCUMENTAL
Volte às fontes
As referências usam páginas físicas do PDF, contando a capa. Os resumos são apresentados em português; os documentos preservam seu idioma original.
- DOW-UAP-D120_AAWSAP-DIRD-Materials-for-Advanced-Aerospace-Platforms-January-12-2010.pdf
Páginas físicas 1 a 27: relatório completo, com capa, folha de rosto, sumário, texto, tabelas, figuras e referências
DOW · 27 páginas
Síntese editorial baseada no fichamento do acervo, revista em 26/09/2026. Como lemos os documentos.


