심우주 탐사를 가능하게 하는 깊은 팀켄 전문 지식

우주 비행의 미래는 놀라운 속도로 발전하고 있습니다. 공공 연구원과 민간 연구원 간의 전례 없는 협력이 우리의 달, 화성 및 그 너머를 더 탐사하기 위한 새로운 세대의 기술을 주도하고 있습니다.

팀켄은 깊은 항공우주 전문 지식과 역량을 활용하여 고객이 이전에는 존재하지 않았지만, 더 이상은 불가능하지 않은 임무를 가능하게 하는 솔루션을 개발할 수 있도록 지원합니다. 수석 애플리케이션 엔지니어인 John Renaud는 이렇게 설명합니다.

“우리는 발사 하중을 견디기 위해 베어링을 과설계하고 과다 제작합니다. 임무 후반에 필요한 베어링 수명, 접촉 응력 및 시스템 강성과 같은 요인이 탑승 시 나타납니다.”

John Renaud
수석 애플리케이션 엔지니어

목적지 유로파

NASA의 행성 임무를 위해 만들어진 가장 큰 우주선인 유로파 클리퍼는 2024년 10월에 발사되었으며 현재 화성에서 중력 지원을 받아 더 빠르고 더 멀리 깊은 우주로 날아갑니다. 2030년 목성의 얼음 위성인 유로파에 도달할 때, 우주선은 과학자들이 지질학적 활동과 생명을 지탱할 수 있는 능력을 탐구하는 데 사용할 수 있는 이미지와 데이터를 수집할 것입니다.

팀켄은 고객사인 Johns Hopkins Applied Physics Lab(APL)과 협력하여 유로파 표면의 확대된 세부사항을 캡처하는 NAC(Narrow-Angle Camera) 이미징 시스템용 포인팅 시스템을 개발했습니다.

이 카메라는 정확한 위치 지정이 가능한 2축 짐벌 시스템에 장착되어 있으며, 이는 고해상도 이미지 수집, 획기적인 측정 및 유로파의 상세 매핑에 매우 중요한 요소입니다. 짐벌 시스템의 핵심에는 과학자들이 카메라를 부드럽고 정확하게 기울일 수 있도록 하는 팀켄® 씬 섹션 볼 베어링이 있습니다.

“우주 비행은 매우 전문화되어 있습니다.”라고 우주, 상업용 및 군사 항공에 사용된 베어링 설계에서 거의 20년 간 경험이 있는 팀켄 수석 애플리케이션 엔지니어인 John Renaud는 말했습니다. “모든 새로운 임무는 경계를 극도로 밀어붙입니다.”

유로파 클리퍼도 예외는 아닙니다. 우주선과 그 NAC는 차량에서 위치를 감안할 때 상대적으로 노출되며, 비행 중 이미 매우 낮은 온도와 높은 수준의 방사선에 노출되어 있습니다. 우주선이 유로파 근처에 도착하여 목성의 그늘에서 작동하기 시작하면 시스템 온도가 -400˚F(-140˚C)까지 떨어질 것으로 예상됩니다.

하지만 Renaud에 따르면, 가장 큰 엔지니어링 장애물은 발사대에서 일어나는 일입니다.

“우주선과 그 탑재물이 먼저 우주로 떠나야 합니다.”라고 그는 말합니다. “우리는 발사 하중을 견디기 위해 베어링을 과설계하고 과다 제작합니다. 임무 후반에 필요한 베어링 수명, 접촉 응력 및 시스템 강성과 같은 요인이 탑승 시 나타납니다.”

남부 캘리포니아에 있는 NASA의 제트 추진 연구소(Jet Propulsion Laboratory)의 청정실에 있는 엔지니어들이 NASA의 유로파 클리퍼 우주선에 대한 나디르 덱(Nadir Deck)을 구축합니다. 크레딧: NASA/JPL-Caltech

고객 혁신을 추진하는 정교한 모델링

Renaud와 그의 팀은 수년 간의 개발 기간 동안 APL 엔지니어들을 지원하여 여러 카메라 설계 반복에 대한 베어링을 모델링했습니다.

개발 과정에서 NASA는 유로파 클리퍼의 발사체를 새로운 우주 발사 시스템(SLS)에서 보다 비용 효율적이고 쉽게 구할 수 있는 SpaceX Falcon Heavy 로켓으로 개조했습니다. 이 변화로 인해 NAC와 그 베어링은 원래 우주선이 견딜 수 있도록 설계되었던 것과는 다른 일련의 발사 하중 조건에 노출될 것입니다. 또한 이 변화는 유로파 클리퍼의 목성 여정 기간도 연장하여, 추위와 방사선에 대한 베어링의 총 노출이 크게 증가했습니다.

전환 전과 후, 엔지니어들은 견고한 베어링 엔지니어링 플랫폼인 팀켄® Syber® Bearing System Designer(BSD)를 활용하여 다양한 기하학적 구조와 재료를 모델링하여 베어링의 수명과 성능을 예측했습니다. 대량의 롤링 요소가 있는 씬 섹션 베어링의 경우 특히 모델링이 어려울 수 있습니다.

“우리는 데이터의 참고하여 이러한 베어링에 비정형적이지만 응용 분야에 결정적인 소재를 선택했습니다.”라고 Renaud가 말했습니다. “우리는 강철 강철장치를 사용하여 씬 섹션 볼 베어링을 개발하고 발사 하중을 견디고 지속적인 극한 온도와 방사선에도 견디기에 적합한 건식 필름 윤활유를 도포했습니다.”

Renaud는 고객 협업이 중요하다고 덧붙였습니다. 팀켄 팀은 APL 엔지니어에게 카메라 프로토타입을 제작 및 테스트할 베어링과 테스트 조건을 위한 입력을 제공했습니다. 테스트 후 APL은 중요한 부하 및 성능 데이터를 다시 팀켄에 제공하여 베어링 소재 선택을 더욱 정교하게 했습니다.

“모든 것이 10월의 발사를 견뎠습니다”고 Renaud는 덧붙였습니다. “일단 유로파에 접근하면, 우리가 만든 가정과 함께 했던 모델링을 기반으로 성공 여부가 결정될 것입니다.”

뉴햄프셔 킨에 있는 팀켄의 시설은 외부 직경이 1/8인치에 불과한 초정밀 볼 베어링을 전문으로 합니다. 정밀도 공차가 더 작기 때문에 베어링은 오염이 거의 없는 “클래스 10,000 클린룸”에서 조립되고 검사됩니다.

항공우주 R&D의 유산, 미래에 집중

여정 전반에 걸쳐 유로파 클리퍼는 또 다른 중요한 시스템인 리액션 휠 어셈블리(RWA)에서 추가 팀켄 베어링 솔루션의 이점을 얻을 것입니다. RWA 시스템은 유로파 클리퍼의 비행 궤도를 안정화하여 과정을 유지관리하고 NAC와 데이터를 다시 지구의 과학자들에게 중계하는 데 필요한 안테나를 비롯한 기타 계기의 정확한 위치 지정을 보장합니다.

또한 역대 가장 강력한 망원경과 거의 30년 동안 화성을 탐사한 탐사선 등 한 세기가 넘는 팀켄 항공우주 혁신을 통해 가능해진 일련의 경이로움을 통과할 것입니다.

이러한 혁신이 차세대 항공우주 기술의 토대를 마련하며, 이러한 기술은 우주국의 야심 찬 새로운 임무와 우주 여행 및 위성 통신 등의 활동의 상용화로 빠르게 변화하고 있습니다.

Renaud는 “기본사항은 동일하게 유지될 것입니다.”라고 하면서, “하지만 우리는 고객이 한계를 시험하는 데 계속해서 도울 것입니다.”라고 결론지었습니다.

팀켄 엔지니어는 항공우주 고객이 경계를 넓히고 새로운 기술을 채택할 수 있도록 지원합니다. 하이브리드 세라믹 베어링으로 전기 비행을 준비하고 전통적인 상업 비행의 효율성을 향상시키는 방법에 대해 알아보세요.

Published: 2025/06/5