Γενικά
Στο υποσύστημα του structural ασχολούμαστε με τον σχεδιασμό την ανάλυση και την κατασκευή όλων των κομματιών που συνθέτουν τον πύραυλο. Ο κάθε πύραυλος (full assembly) χωρίζεται σε επιμέρους διαμερίσματα (sub-assemblies) τα οποία αποτελούνται από πολυάριθμα κομμάτια (parts). To κάθε ένα από αυτά κατασκευάζεται με διαφορετική τεχνική και υλικά. Για αυτόν τον λόγο το κάθε μέλος χρειάζεται να είναι εξοικειωμένο με την χρήση εργαλείων, υλικών.
Σχεδιασμός
Tα περισσότερα parts που χρησιμοποιούνται για την σύνθεση κάθε πυραύλου είναι ιδιοκατασκευές του υποσυστήματος του Structural. Για αυτόν ακριβώς τον λόγο, όλα τα μέλη και κυρίως οι σχεδιαστές είναι απαραίτητο να γνωρίζουν ένα η και παραπάνω CAD προγράμματα. Οι προκλήσεις που έχει να αντιμετωπίσει ένας design engineer είναι πολλές με βασικότερη αυτή της προσαρμογής της ιδέας του στις ανάγκες του κάθε υποσυστήματος. Πιο συγκεκριμένα, κάθε υποσύστημα βασίζεται στο structural για τον σχεδιασμό και την εκτίμηση της λειτουργικότητας του διαμερίσματος του πυραύλου που το εξυπηρετεί για αυτόν τον λόγο ο σχεδιαστής χρειάζεται να γνωρίζει τον στόχο και τις ιδιαιτερότητες του κάθε υποσυστήματος καθώς και τη συμμετοχή του κατά την διάρκεια της εκτόξευσης και της πτήσης.
Στον σχεδιασμό και την διαστασιολόγηση κάθε αντικειμένου ο σχεδιαστής πρέπει να λάβει υπόψιν και τις ιδιαιτερότητες κατεργασίας του κάθε υλικού με σκοπό να καταστήσει το έργο του εκάστοτε μηχανουργείου ή κατασκευαστή όσο το δυνατόν ευκολότερο. Πιο συγκεκριμένα, στόχος είναι το υλικό να είναι κατεργάσιμο και το κομμάτι να απαιτεί την χρήση λίγων μηχανημάτων.
Ανάλυση
Μετά τον σχεδιασμό και τον έλεγχο λειτουργικότητας, το υποσύστημα του structural καλείται να βεβαιωθεί ότι κάθε κομμάτι που πρόκειται να κατασκευαστεί θα αντέξει τα επιβαλλόμενα φορτία και πίεσης κατά την διάρκεια εκτόξευσης και πτήσης. Σε αυτό το σημείο λαμβάνει τη σκυτάλη ο επονομαζόμενος analysis engineer. H κύρια μέθοδος που χρησιμοποιείται είναι η ‘’Μέθοδος Πεπερασμένων Στοιχείων’’ (Finite Element Method), στην οποία το κάθε αντικείμενο, με τη χρήση ενός ή πολλών μαθηματικών αλγορίθμων, χωρίζεται σε ένα τρισδιάστατο πλέγμα (mesh). Με αυτόν τον τρόπο ο υπολογιστής αντιλαμβάνεται με την μορφή μαθηματικών πινάκων (matrices) την χωρική γεωμετρία του κάθε αντικειμένου.
Στην συνέχεια, ασκούνται στο στοιχείο εικονικά μια σειρά από φορτίσεις ανάλογα με το ζητούμενο της κάθε ανάλυσης και πλέον είναι έτοιμη να διεξαχθεί. Μετά το πέρας της διεξαγωγής ο analysis engineer καλείται να ερμηνεύσει τα αποτελέσματα σκοπό να κρίνει εάν το εξάρτημα μπορεί να προχωρήσει στην κατασκευή ή χρειάζεται να γυρίσει στην φάση του σχεδιασμού.
Όπως φαίνεται και στην παραπάνω εικόνα, χρησιμοποιώντας ένα διαφορετικό λογισμικό από αυτό που διεξήχθη η ανάλυση μπορούμε να ‘’διαβάσουμε’’ τα αποτελέσματα και ότι αυτά έχουν να μας πουν με βάση τα κριτήρια αστοχίας που έχουμε ορίσει. Συγκεκριμένα, στο παράδειγμα έχουμε επιλέξει το κριτήριο αστοχίας Von Mises, τη μέγιστη και την ελάχιστη ορθή τάση καθώς και τον διαμοιρασμό τους στις επονομαζόμενες ‘’ζώνες επιρροής’’.
Το πώς θα προχωρήσουμε θα το ορίσει ο συντελεστής ασφάλειας. Ο λόγος δηλαδή των τάσεων που αντέχει το υλικό, προς αυτές που δρουν τελικά επάνω του. Αποδεκτές τιμές αυτού του συντελεστή είναι όλες οι τιμές >1 με καταλληλότερες στην πυραυλική αυτές που κυμαίνονται από 1,2 έως 1,6.
Κατασκευή
Το τελευταίο και ένα από τα πιο σημαντικά πεδία εφαρμογής των γνώσεων ενός μέλους του structural είναι το κομμάτι του κατασκευαστή (manufacture engineer). Σε αυτό το σημείο έχει πλέον οριστικοποιηθεί η γεωμετρία του εκάστοτε εξαρτήματος μαζί με το υλικό και το υποσύστημα καλείται είτε να επικοινωνήσει με ένα από τα συνεργαζόμενα μηχανουργεία είτε να κατασκευάσει το ίδιο το εξάρτημα με υλικά και εργαλεία που του παρέχονται στο εργαστήριο.
Στη περίπτωση της παραγγελίας του εξαρτήματος από κάποιο συνεργαζόμενο μηχανουργείο το μέλος καλείται να παρουσιάζει την ιδέα στον κατασκευαστή η χειριστή των μηχανημάτων με τέτοιο τρόπο ώστε ο ίδιος να αντιληφθεί το ζητούμενο και να την υλοποιήσει με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Στο κομμάτι αυτό το μέλος πρέπει να δώσει πολύ μεγάλη βάση στις ανοχές (δηλαδή στο περιθώριο κατασκευαστικής ατέλειας), καθώς και στη δυνατότητα επιδιόρθωσης, εφόσον αυτή καταστεί απαραίτητη, όταν το εξάρτημα φτάσει στα χέρια του.
Στη περίπτωση της κατασκευής στο εργαστήριο, το υποσύστημα καλείται μέσω διαφόρων τεχνοτροπιών να κατασκευάσει το εξάρτημα. Πολλά εξαρτήματα κατασκευάζονται από πληθώρα σύνθετων υλικών όπως το ανθρακόνημα (carbon fiber), υαλόνημα (glass fiber), κέβλαρ κ.α. Η μέθοδος που χρησιμοποιείται για την μορφοποίηση κάποιο εξ αυτών σε κάποιο μέλος του εξωτερικού περιβλήματος του πυραύλου (aiframe) ή εσωτερικά χωρίσματα (plates) ονομάζεται εμποτισμός με ρητίνη εν κενώ (vacuum resin infusion process).
Πιο συγκεκριμένα, δημιουργείται μια συστοιχία πολλών στρώσεων υφάσματος σύνθετου υλικού με την πρώτη και την τελευταία να καλύπτονται από ένα δίχτυ εξάπλωσης της ρητίνης. Στη συνέχεια δημιουργούμε μία αεροστεγή επιφάνεια με την χρήση φύλλων από πολυμερή και μαστιχοταινίας. Αφού οριστούν οι αγωγοί εισόδου και εξόδου της ρητίνης και του αέρα ενεργοποιείται η αντλία. Η διαδικασία ορίζει ότι η ρητίνη σύμφωνα με τις συνθήκες υποπίεσης που έχουν αναπτυχθεί στο εσωτερικό του συστήματος, θα ξεκινήσει να διαχέεται στο εσωτερικό της ‘’σακούλας’’, των δύο κολλημένων δηλαδή επιφανειών από πολυμερή. Ταυτόχρονα ο αέρας ,μαζί με ενδεχόμενη περίσσεια ρητίνης, θα εξέρχονται από τον αγωγό εξόδου. Για τον λόγο αυτόν, ανάμεσα στη κατασκευή και την αντλία μεσολαβεί ένα δοχείο του οποίου ρόλος είναι να μαζέψει αυτή την περίσσεια με σκοπό να μην περάσει στην αντλία.
Μετά το πέρας της διαδικασίας, οι δύο αγωγοί ασφαλίζονται και η κατασκευή αφήνεται να στερεοποιηθεί για περίπου μία με δύο μέρες. Αφότου η κατασκευή ανοιχτεί, επιθεωρείται για ατέλειες και κατασκευαστικά λάθη και προχωράει στην περαιτέρω επεξεργασία.
Στο σημείο που το υποσύστημα έχει λάβει όλα τα εξαρτήματα όλων των υποσυστημάτων, ως τελική ευθύνη έχει την σωστή και ασφαλής συναρμολόγησή τους με σκοπό ο πύραυλος να λειτουργεί όπως προβλέπεται. Για αυτόν τον λόγο, δίνεται πολύ μεγάλη βάση στην συναρμολόγηση των επιμέρους διαμερισμάτων (sub-assemblies) μαζί με τα υπόλοιπα υποσυστήματα καθώς και αλλαγές τις τελευταίας στιγμής σύμφωνα με τις ανάγκες τους. Η τελική συναρμολόγηση (final assembly) είναι αυτή που δίνει την τελική μορφή στον πύραυλο και τον οδηγεί στην ράγα, με σκοπό την εκτόξευσή του κάθε χρόνο και ψηλότερα!
