La solida esperienza di Timken consente l’esplorazione dello spazio profondo

Il futuro del volo spaziale si sta evolvendo a una velocità sorprendente. Una collaborazione senza precedenti tra ricercatori pubblici e privati sta guidando una nuova generazione di tecnologie per le missioni che esplorano ulteriormente la nostra luna, Marte e non solo.

Timken sfrutta la sua profonda esperienza e capacità nel settore aerospaziale per aiutare i clienti a sviluppare soluzioni dove non esistevano prima, per missioni che non sono più impossibili. John Renaud, tecnico principale delle applicazioni, spiega.

“Sovraprogettiamo e sovradimensioniamo i nostri cuscinetti per sopportare i carichi di lancio. Fattori come la durata richiesta dei cuscinetti, le sollecitazioni da contatto e la rigidità del sistema per la fase successiva della missione si uniscono alla corsa”.

John Renaud
Tecnico principale delle applicazioni

Destinazione Europa

Il più grande veicolo spaziale mai costruito per una missione planetaria della NASA, Europa Clipper, è stato lanciato a ottobre 2024 e sta attualmente ricevendo l’assistenza gravitazionale di Marte per essere fiondato più velocemente e più lontano nello spazio profondo. Una volta raggiunta Europa, la luna ghiacciata di Giove, nel 2030, il veicolo spaziale raccoglierà immagini e dati che gli scienziati potranno utilizzare per esplorarne l’attività geologica e la capacità di ospitare la vita.

Timken ha collaborato con il cliente Johns Hopkins Applied Physics Lab (APL) per sviluppare il sistema di puntamento del sistema di imaging con telecamera ad angolo stretto (narrow-angle camera, NAC) che catturerà i dettagli ingranditi della superficie di Europa.

La telecamera si trova su un sistema cardanico a due assi che consente un posizionamento preciso, un elemento cruciale per la raccolta di immagini ad alta risoluzione, misurazioni rivoluzionarie e mappatura dettagliata di Europa. Il cuore del sistema cardanico è costituito dai cuscinetti a sfere a sezione sottile di Timken®, che consentono agli scienziati di inclinare la fotocamera in modo fluido e preciso.

“Il volo spaziale è molto specializzato”, ha affermato John Renaud, uno dei tecnici principali delle applicazioni di Timken con quasi 20 anni di esperienza nella progettazione di cuscinetti ad alta tecnologia per l’aviazione spaziale, commerciale e militare. “Ogni nuova missione spinge i confini all’estremo”.

Europa Clipper non fa eccezione. Il veicolo spaziale e il suo NAC, che è relativamente esposto data la sua posizione sul veicolo, sono già soggetti a temperature estremamente basse e a livelli elevati di radiazioni durante il volo. Una volta che arriverà vicino a Europa e che inizierà a operare all’ombra di Giove, le temperature del sistema dovrebbero scendere a un glaciale -400˚F (-140˚C).

Tuttavia, secondo Renaud, il più grande ostacolo ingegneristico è ciò che accade sulla rampa di lancio.

“Un veicolo spaziale e il suo carico utile devono prima staccarsi dal pianeta”, ha affermato. “Sovraprogettiamo e sovradimensioniamo i nostri cuscinetti per sopravvivere ai carichi di lancio. Fattori come la durata richiesta dei cuscinetti, le sollecitazioni da contatto e la rigidità del sistema per la fase successiva della missione si uniscono alla corsa”.

Gli ingegneri in una camera bianca del Jet Propulsion Laboratory della NASA, nel sud della California, costruiscono il ponte nadir del veicolo spaziale Europa Clipper della NASA. Crediti: NASA/JPL-Caltech

La sofisticata creazione di modelli favorisce l’innovazione dei clienti

Renaud e il suo team hanno assistito gli ingegneri APL durante lo sviluppo pluriennale, modellando i cuscinetti rispetto a diverse iterazioni di progettazione della fotocamere.

Durante lo sviluppo, la NASA ha modificato il veicolo di lancio di Europa Clipper dal nuovo Space Launch System (SLS) al razzo SpaceX Falcon Heavy, più economico e facilmente disponibile. Questo cambiamento avrebbe sottoposto il NAC e i suoi cuscinetti a una diversa serie di condizioni di carico di lancio rispetto a quelle che il veicolo spaziale avrebbe originariamente dovuto sopportare secondo il progetto. Il cambiamento ha anche esteso la durata del viaggio di Europa Clipper a Giove, aumentando drasticamente l’esposizione totale dei cuscinetti al freddo e alle radiazioni.

Prima e dopo il passaggio, gli ingegneri hanno utilizzato il Syber® Bearing System Designer (BSD) di Timken®, una potente piattaforma di ingegneria dei cuscinetti, per modellare geometrie e materiali diversi e prevedere la durata e le prestazioni dei cuscinetti. La modellazione può essere particolarmente difficile per i cuscinetti a sezione sottile con un elevato volume di elementi volventi.

“I dati ci hanno aiutato a selezionare materiali atipici per questi cuscinetti, ma cruciali per l’applicazione”, ha affermato Renaud. “Abbiamo sviluppato un cuscinetto a sfere a sezione sottile utilizzando un fermo in acciaio e applicato un lubrificante a film secco adatto per sopportare sia i carichi di lancio che le radiazioni e le temperature estreme prolungate”.

Renaud ha aggiunto che la collaborazione con i clienti è stata fondamentale. Il team di Timken ha fornito agli ingegneri APL cuscinetti per costruire e testare il prototipo della telecamera, nonché input per le condizioni di test. Dopo il test, APL ha fornito dati critici sulle prestazioni e sul carico a Timken per perfezionare ulteriormente la scelta del materiale del cuscinetto.

“Tutto ha resistito al lancio di ottobre”, ha aggiunto Renaud. “Una volta che si avvicinerà a Europa, il successo sarà basato sulle ipotesi che abbiamo fatto e sui modelli che abbiamo creato insieme”.

Lo stabilimento di Timken a Keene, NH, è specializzato in cuscinetti a sfere ad alta precisione con diametro esterno di 1/8 di pollice. A causa delle tolleranze di precisione più strette, i cuscinetti vengono assemblati e ispezionati in “camere bianche di classe 10000”, quasi prive di contaminazione.

Una tradizione di ricerca e sviluppo nel settore aerospaziale focalizzata sul futuro

Durante il suo viaggio, Europa Clipper trarrà vantaggio da ulteriori soluzioni di cuscinetti Timken in un altro sistema cruciale: i gruppi della ruota di reazione (reaction wheel assemblies, RWA). Il sistema RWA stabilizza l’orbiter di Europa Clipper in volo per aiutare a mantenere la rotta e garantire un posizionamento accurato del NAC e di altri strumenti, comprese le antenne necessarie per trasmettere i dati agli scienziati sulla Terra.

Trasmetterà anche una serie di altre meraviglie rese possibili grazie a oltre un secolo di innovazione aerospaziale di Timken, come il più potente telescopio mai costruito e i rover che hanno esplorato Marte per quasi 30 anni.

Tali innovazioni gettano le basi della prossima generazione di tecnologia aerospaziale, che sta cambiando rapidamente con le nuove ambiziose missioni delle agenzie spaziali e con la commercializzazione di attività come i viaggi spaziali e la comunicazione satellitare.

“I principi fondamentali rimarranno gli stessi”, ha concluso Renaud, “ma continueremo ad aiutare i clienti a spingersi oltre i limiti”.

Gli ingegneri Timken aiutano i clienti del settore aerospaziale a superare i confini e ad adottare nuove tecnologie. Scoprite come ci stiamo preparando per il volo elettrico e stiamo migliorando l’efficienza dei voli commerciali tradizionali con cuscinetti in ceramica ibridi.

Published: 2025/06/5