Umfassendes Know-how von Timken ermöglicht die Erforschung des Weltraums

Die Zukunft der Raumfahrt entwickelt sich mit erstaunlicher Geschwindigkeit. Eine beispiellose Zusammenarbeit zwischen öffentlich und privat finanzierten Wissenschaftlern und Ingenieuren treibt eine neue Generation von Technologien für Missionen voran, um unseren Mond, den Mars und andere Planeten zu erforschen.

Timken nutzt sein fundiertes Know-how und seine Kompetenzen in der Luft- und Raumfahrt, um Kunden bei der Entwicklung bisher nicht vorhandener Lösungen zu unterstützen – für Missionen, die nicht mehr unmöglich sind. John Renaud, leitender Anwendungsingenieur, erläutert:

„Wir entwickeln und konstruieren unsere Lager mit großem Übermaß, um den Belastungen beim Start standzuhalten. Faktoren wie die erforderliche Lagerlebensdauer, die Kontaktspannungen und die Systemsteifigkeit für spätere Phasen der Mission werden ebenfalls berücksichtigt.“

John Renaud
Leitender Anwendungsingenieur

Bestimmungsort Europa

Europa Clipper, die größte jemals für eine Planetenmission der NASA gebaute Raumsonde, startete im Oktober 2024 und erhält derzeit einen Gravitationsschub vom Mars, um schneller und weiter in den Weltraum zu gelangen. Nach Erreichen des eisigen Jupitermondes Europa im Jahr 2030 wird die Raumsonde Bilder und Daten sammeln, die Wissenschaftler nutzen können, um seine geologische Aktivität und seine Habitabilität zu untersuchen.

Timken hat in Zusammenarbeit mit dem Kunden Johns Hopkins Applied Physics Lab (APL) das Ausrichtungssystem für das Bildgebungssystem der Nahwinkelkamera (Narrow Angle Camera, NAC) entwickelt, die vergrößerte Details der Oberfläche von Europa aufnehmen wird.

Die Kamera ist auf einem zweiachsigen Kardansystem montiert, das eine präzise Positionierung ermöglicht – ein entscheidender Faktor für die Erfassung hochauflösender Bilder, für wegweisende Messungen und für die detaillierte Kartografierung des Mondes Europa. Das Herzstück des Kardansystems sind Dünnringkugellager von Timken®, die es Wissenschaftlern ermöglichen, die Kamera leichtgängig und präzise zu neigen.

„Die Raumfahrt ist ein äußerst spezialisiertes Unterfangen“, sagte John Renaud, leitender Anwendungsingenieur bei Timken mit fast 20 Jahren Erfahrung in der Entwicklung und Konstruktion von hochentwickelten Lagern für die Raumfahrt sowie die kommerzielle und militärische Luftfahrt. „Jede neue Mission erweitert die Grenzen bis zum Äußersten.“

Und die Raumsonde Europa Clipper ist keine Ausnahme. Die Raumsonde und ihre Nahwinkelkamera (NAC), die aufgrund ihrer Position am Flugkörper relativ exponiert ist, sind bereits während des Fluges extrem niedrigen Temperaturen und hohen Strahlungsdosen ausgesetzt. Wenn sie in der Nähe von Europa ankommt und im Schatten des Jupiters ihren Betrieb aufnimmt, werden die Systemtemperaturen voraussichtlich auf eisige -140 °C (400 °F) sinken.

Dennoch besteht laut Renaud das größte technische Hindernis darin, was auf der Startrampe passiert.

„Ein Raumfahrzeug und seine Nutzlast müssen es erstmal schaffen, unseren Planeten zu verlassen“, sagte er. „Wir entwickeln und konstruieren unsere Lager mit großem Übermaß, um den Belastungen beim Start standzuhalten. Faktoren wie die erforderliche Lagerlebensdauer, die Kontaktspannungen und die Systemsteifigkeit für spätere Phasen der Mission werden ebenfalls berücksichtigt.“

Ingenieure in einem Reinraum im Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien bauen das Nadirdeck für die Raumsonde Europa Clipper der NASA. Quellenangabe: NASA/JPL-Caltech

: Hochentwickelte Modellierung fördert Kundeninnovationen

Renaud und sein Team unterstützten die Ingenieure von APL während der mehrjährigen Entwicklungsphase und modellierten Lager für verschiedene Kameradesigns.

Im Laufe der Entwicklung entschied sich die NASA, anstelle der ursprünglich geplanten Trägerrakete aus dem neuen Space Launch System (SLS) die kostengünstigere und leichter verfügbare SpaceX Falcon Heavy-Rakete für die Europa Clipper-Mission zu verwenden. Diese Änderung würde die Nahwinkelkamera (NAC) und ihre Lager während des Startvorgangs anderen Belastungen aussetzen als ursprünglich für das Raumfahrzeug vorgesehen. Die Änderung verlängerte auch die Dauer der Reise der Raumsonde Europa Clipper zum Jupiter, wodurch die Gesamtbelastung der Lager durch Kälte- und Strahlungseinwirkung erheblich zunahm.

Vor und nach dieser Änderung verwendeten Ingenieure den Timken® Syber® Bearing System Designer (BSD), eine robuste Plattform für die Lagertechnik, um unterschiedliche Geometrien und Werkstoffe zu modellieren und die Lebensdauer und Leistung der Lager zu berechnen. Die Modellierung kann für Dünnringlager, bei denen die Rollkörper ein hohes Volumen einnehmen, besonders schwierig sein.

„Die Daten halfen uns, Materialien auszuwählen, die für diese Lager untypisch, aber für die Anwendung von entscheidender Bedeutung sind“, so Renaud. „Wir haben ein Dünnringkugellager mit einem Stahlkäfig entwickelt und ein Trockenfilmschmiermittel benutzt, das sowohl den Belastungen beim Start als auch extremen Temperatur- und Strahlungseinwirkungen über einen längeren Zeitraum widersteht.“

Renaud fügte hinzu, dass die Zusammenarbeit mit Kunden von entscheidender Bedeutung war. Das Timken-Team stellte den Ingenieuren von APL Lager für den Bau und die Erprobung des Kameraprototyps zur Verfügung. Außerdem lieferte es Input bezüglich der Testbedingungen. Nach den Tests lieferte APL kritische Last- und Leistungsdaten zurück an Timken, um die Auswahl der Lagermaterialien weiter zu optimieren.

„Alles hat den Start im Oktober überlebt“, fügte Renaud hinzu. „Wenn sich die Raumsonde dem Mond Europa nähert, hängt der Erfolg der Mission von den Annahmen ab, die wir getroffen haben, und von den Modellierungen, die wir gemeinsam erstellt haben.“

Das Timken-Werk in Keene, NH, ist auf Superpräzisionskugellager mit Außendurchmessern von nur 1/8 Zoll (3,175 mm) spezialisiert. Aufgrund der engeren Präzisionstoleranzen werden die Lager in Reinräumen der Klasse 10k montiert und geprüft, die nahezu frei von Verunreinigungen sind.

Eine Tradition der F+E in der Luft- und Raumfahrt – mit Blick in die Zukunft

Während ihrer gesamten Reise wird die Raumsonde Europa Clipper von zusätzlichen Timken-Lagerlösungen in einem weiteren wichtigen System profitieren – den Reaktionsradeinheiten (RWA). Das RWA-System stabilisiert die Raumsonde Europa Clipper während des Fluges, um die Einhaltung des Kurses zu gewährleisten und die genaue Positionierung der Nahwinkelkamera (NAC) und anderer Instrumente sicherzustellen, darunter auch die Antennen, die für die Datenübertragung an Wissenschaftler auf der Erde erforderlich sind.

Auf ihrer Reise wird die Europa Clipper auch eine Reihe anderer technischer Wunder passieren, die durch mehr als ein Jahrhundert an Timken-Innovationen in der Luft- und Raumfahrt ermöglicht wurden, wie das leistungsstärkste jemals gebaute Teleskop und die Rover, die den Mars seit fast 30 Jahren erforschen.

Diese Innovationen bilden den Grundstein für die nächste Generation der Luft- und Raumfahrttechnologie, die sich mit den ehrgeizigen neuen Missionen der Raumfahrtbehörden und der Kommerzialisierung von Aktivitäten wie Raumfahrt und Satellitenkommunikation rasch verändert.

„Die Grundlagen bleiben unverändert“, fasst Renaud zusammen, „aber wir werden unseren Kunden weiterhin helfen, neue Grenzen zu erschließen.“

Timken-Ingenieure helfen Kunden in der Luft- und Raumfahrt, Grenzen zu überschreiten und neue Technologien zu übernehmen. Erfahren Sie, wie wir uns auf den Elektroflug vorbereiten und die Effizienz herkömmlicher Verkehrsflugzeuge mit Hybrid-Keramiklagern verbessern.

Published: 2025/06/5