Los requisitos de fiabilidad a largo plazo, seguridad sin concesiones y peso ligero han hecho de los plásticos de alto rendimiento los materiales elegidos para multitud de aplicaciones en equipos de naves espaciales. Los componentes mecanizados o moldeados por inyección de Torlon PAI, PEEK, Ultem PEI, Vespel PI, Ryton R-4 PPS y otros polímeros avanzados han demostrado sus capacidades durante décadas, y su aceptación sigue creciendo paralelamente a la industria de las naves espaciales.
¿Qué propiedades de los plásticos son importantes para las aplicaciones en naves espaciales?
Los plásticos de alto rendimiento ofrecen propiedades que resuelven una serie de complejos retos de ingeniería y especificación de materiales relacionados con las aplicaciones de las naves espaciales:
- Ductilidad y tenacidad a temperaturas criogénicas
- Conservación de la resistencia cerca de las altas temperaturas de los sistemas de propulsión
- Integridad estructural para resistir fuerzas vibratorias extremas, desde el lanzamiento del cohete hasta las distintas fases de vuelo
- Resistencia a propulsores sólidos y líquidos, fluidos hidráulicos y otros productos químicos
- Cumplimiento de las normas industriales de seguridad para la generación de llamas y humos
- Baja desgasificación en vacío para evitar la deposición excesiva de condensados químicos que pueden contaminar los componentes ópticos y los sistemas de precisión
- Conservación de la resistencia y la ductilidad tras una exposición prolongada a la radiación
¿Qué plásticos de alto rendimiento tienen las propiedades necesarias para las aplicaciones en naves espaciales?
Varios polímeros avanzados tienen un historial probado en los sistemas estructurales, eléctricos, de fluidos y mecánicos de las naves espaciales. Sus diferencias de propiedades y niveles de tolerancia a los productos químicos y la radiación permiten a los ingenieros especificar el material óptimo para cada componente en su entorno operativo.
Los siguientes plásticos de alto rendimiento tienen perfiles de propiedades únicos que se adaptan bien a los requisitos específicos de cada aplicación:
- Torlon PAI(polyamide-imide), Vespel PI (polyimide) y Ultem PEI(polyether-imide) son polímeros de imida que mantienen su resistencia a niveles criogénicos y a temperaturas extremadamente altas, y soportan la exposición a la radiación.
- Los polímeros cetónicos destacan por su resistencia química. Incluyen PEEK (polieteretercetona), PEK (polieteretercetona) y PEEK XT y PEK HT de alta temperatura.
- El Ryton R-4 PPS, una polifenilsulfona con un 40% de contenido en fibra de vidrio, es un material de alta resistencia con una excelente resistencia química. No tiene disolventes conocidos por debajo de 200°C.
- El PCTFE, un fluoropolímero, funciona bien como material para juntas criogénicas en sistemas de LOX, LH2 y otros gases licuados. También tiene un alto LOI (índice de oxígeno limitante) para satisfacer los estrictos requisitos de inflamabilidad.
- Todos cumplen las normas de inflamabilidad y generación de humo del sector relacionadas con diversas aplicaciones.
Nota de ingeniería: Torlon PAI, PEEK, Ultem PEI y otros polímeros de alto rendimiento están disponibles en Grades con fibras de vidrio o carbono que aumentan la resistencia, y con lubricantes sólidos que mejoran las propiedades de rodamiento y desgaste.
¿Qué plásticos resisten la exposición a la radiación en el espacio?
- La exposición constante a la radiación en el espacio puede degradar ciertos polímeros. Muchos se fragilizan en periodos relativamente cortos.
- Torlon PAI, PEEK y Ultem PEI mantienen sus propiedades excepcionalmente bien incluso a niveles continuamente altos de exposición a la radiación.
- La resistencia a la radiación de estos polímeros fue confirmada en un informe de pruebas del Centro de Aprendizaje de Fabricación de Composites Americano, que se resume a continuación.
- Torlon 5030 PAI, un polímero reforzado con vidrio de alta resistencia al 30%, fue extruido en formas y mecanizado en piezas por Drake Plastics como muestras de prueba. Las piezas de Torlon 5030 conservaron el nivel requerido de propiedades mecánicas para superar satisfactoriamente las pruebas a109 rads , el nivel más alto de exposición a las pruebas.
- Victrex PEEK, otro polímero que Drake Plastics extruye en formas en bruto de alto rendimiento y piezas mecanizadas y moldeadas, también pasó a 109
- Piezas mecanizadas de PEI Ultem 2300 reforzado con vidrio al 30 también demostraron una impresionante retención de propiedades a108
¿Por qué es importante la baja desgasificación de los plásticos en la industria espacial?
- Algunos plásticos son propensos a desgasificarse en el vacío, y pueden liberar cantidades excesivas de volátiles.
- Estos volátiles pueden contaminar los sistemas críticos de las naves espaciales y enturbiar los elementos ópticos y los paneles solares, mermando su eficacia.
¿Qué plásticos presentan baja desgasificación al vacío?
- Una ventaja de la PAI y el PEEK de Torlon para aplicaciones en naves espaciales es que alivian la preocupación por la desgasificación en el vacío que es común a algunos plásticos en el entorno de vacío de gravedad cero.
- Las pruebas realizadas para la NASA han confirmado que determinados Grades de Torlon PAI y PEEK se consideran materiales de baja emisión de gases. Esto se basa en niveles de TML (pérdida total de masa) inferiores al 1% y un CVCM (material volátil condensable recogido) inferior al 0,1%.
- La NASA incluye los grados específicos de Torlon PAI y PEEK que se probaron, y los detalles de los resultados de sus pruebas, en la lista de materiales de baja desgasificación que la agencia mantiene para aplicaciones en naves espaciales.
¿Qué plásticos conservan la tenacidad y la resistencia a temperaturas criogénicas en el espacio?
- La capacidad de un material para conservar la resistencia y la tenacidad a temperaturas criogénicas es especialmente importante para los mecanismos y sistemas de despliegue de los telescopios y sondas del espacio profundo, donde la integridad de las piezas no puede verse comprometida.
- Torlon PAI, Vespel PI, CryoDyn CT-200 PEEK y PCTFE han demostrado que conservan la resistencia estructural y la ductilidad a temperaturas criogénicas que pueden destrozar muchos metales.
¿Se dispone de datos sobre las propiedades criogénicas de los plásticos?
- Un factor importante en la elección de Torlon PAI, PCTFE y PEEK para componentes de naves espaciales es su capacidad para conservar las propiedades mecánicas en entornos criogénicos.
- Los datos de las pruebas criogénicas demuestran que los tres polímeros conservan un alto nivel de propiedades de tracción y resistencia mecánica en estas condiciones.
- La ductilidad de la PAI, el PCTFE y el PEEK de Torlon a temperaturas criogénicas los convierte en los principales candidatos para aplicaciones que pueden correr riesgo de rotura por impactos accidentales o cargas puntuales físicas elevadas.
¿Cuáles son las aplicaciones típicas de los plásticos de alto rendimiento en las naves espaciales?
- Los engranajes sectoriales de Torlon 7130, de gran resistencia y estabilidad dimensional, despliegan con fiabilidad los paneles solares de los satélites.
- Los aislantes de Torlon 5030 y PEEK son excelentes aislantes térmicos y eléctricos.
- Los herrajes de montaje de Torlon PAI y PEEK fijan diversos aparatos, como antenas, ventanas, sistemas de tuberías de fluidos y gases y paneles aislantes.
- Las fijaciones y tornillos de Torlon 4203 resisten la degradación por radiación, mantienen una gran resistencia y son mucho más ligeros que las piezas metálicas.
- Los componentes de los satélites en Ultem PEI proporcionan alta resistencia y apantallamiento EMI/RFI.
- Las cuñas de desgaste en grados de cojinete de PEEK y Torlon PAI mantienen la funcionalidad en los sistemas de posicionamiento de propulsión de satélites en órbita.
- Las juntas de las válvulas de oxidación y los casquillos de los motores de cohetes confían en el Torlon 4301 por su resistencia química y su solidez y estabilidad en componentes que experimentan vibraciones extremas a altas temperaturas.
Los plásticos de alto rendimiento apoyan las innovaciones tecnológicas
Los requisitos críticos de fiabilidad a largo plazo, seguridad sin concesiones y peso ligero han hecho de los plásticos de alto rendimiento los materiales elegidos para multitud de aplicaciones en equipos de naves espaciales.
Las empresas especializadas en polímeros avanzados colaboran estrechamente con los ingenieros en aplicaciones innovadoras que aprovechan las ventajas de estos materiales. Drake Plastics, por ejemplo, colabora con los principales OEM de naves espaciales para desarrollar componentes de nueva generación en Torlon PAI, PEEK, Ultem PEI, Vespel PI, Ryton R-4 PPS y otros polímeros. La empresa extrude formas mecanizables, desarrolla configuraciones de formas personalizadas y produce piezas mecanizadas y moldeadas por inyección en estos plásticos de alto rendimiento para distintos sectores de la industria. Los polímeros han demostrado su fiabilidad en aplicaciones aeroespaciales durante décadas, y su aceptación sigue aumentando a medida que la industria de las naves espaciales crece y abre nuevos caminos en tecnología.
Preguntas frecuentes sobre los plásticos de alto rendimiento en la industria espacial
¿Por qué la desgasificación es un problema en las aplicaciones espaciales?
- Algunos polímeros son propensos a la desgasificación, que puede producirse en condiciones de vacío, creando condensados que perjudican el rendimiento de los sistemas críticos, los elementos ópticos y las superficies de los colectores solares.
- Basándose en las pruebas, la NASA incluye grados específicos de Torlon PAI y PEEK en su lista de materiales aceptables de baja emisión de gases para componentes de naves espaciales.
¿Qué tipo de aplicaciones requieren plásticos de grado criogénico?
- Las reparaciones y actividades de mantenimiento extravehiculares pueden exponer a los componentes a posibles daños, dados los reducidos espacios de trabajo en gravedad cero y frío extremo.
- Los plásticos que resisten el fallo por cargas mecánicas también son importantes para los aparatos de acoplamiento y despliegue que operan en el espacio profundo.
- Los sistemas de propulsante líquido requieren materiales con propiedades de sellado robustas a temperaturas criogénicas.
¿Cuáles son los ejemplos de polímeros que funcionan bien a temperaturas criogénicas?
- Torlon PAI, PEEK y PEEK de grado criogénico conservan todos una gran resistencia y ductilidad en condiciones criogénicas.
- El PCTFE y el polímero PEEK criogénico son especialmente adecuados para aplicaciones de estanquidad criogénica de sistemas de propulsión y refrigeración de gas licuado.
¿Cuáles son las ventajas de especificar plásticos de alto rendimiento que puedan mecanizarse y moldearse por inyección?
- Las aplicaciones suelen empezar como piezas mecanizadas cuando los volúmenes de producción son bajos, y pasan al moldeo por inyección cuando los volúmenes unitarios justifican el coste del utillaje.
- La posibilidad de hacer la transición en el mismo material puede eliminar o reducir el tiempo y el coste de validar la especificación del material para los componentes moldeados por inyección.