Awaria nie wchodzi w grę Inżynierowie firmy Timken projektują łożyska dla nowego łazika marsjańskiego

Razem

Awaria nie wchodzi w grę Inżynierowie firmy Timken projektują łożyska dla nowego łazika marsjańskiego

W 2021 roku na Marsie wyląduje nowy łazik, którego misją jest poszukiwanie śladów obecności mikroorganizmów. Tego dnia na twarzy Johna Renauda, Starszego Inżyniera Aplikacji w firmie Timken, na pewno zagości szeroki uśmiech. To właśnie on zaprojektował łożyska do hamulca zatrzymującego w module opuszczającym łazik na powierzchnię.

Sam Renaud twierdzi, że wykonanie projektów łożysk dwa lata temu zajęło mu tylko jeden dzień. Jego szef, Główny Inżynier ds. lotnictwa i kosmonautyki, John Lowry, wyjaśnia: „Loty kosmiczne to specjalność Johna”. Projektowanie łożysk precyzyjnych do urządzeń tego typu to część jego pracy.

W obecnie funkcjonującym łaziku Curiosity oraz wysłanych wcześniej łazikach Spirit i Opportunity również użyto łożysk firmy Timken, aby umożliwić ich bezpieczne lądowanie na planecie. Łożyska Timken znalazły się również w centralnej piaście systemu karuzelowego, który obraca pojemniki na próbki, służące do zbierania i analizowania składu skał, gleby oraz atmosfery. Co więcej, dwóch łożysk firmy Timken o średnicy 6,35 mm (¼ cala) użyto w małej pompie próżniowej łazika, wspomagającej urządzenia analityczne.

Prawdziwa wartość ćwierćcalowego łożyska

Gdyby się nad tym zastanowić, Renaud ma rację – budowa marsjańskich łazików nie jest zaskakująca. W każdym mechanizmie obrotowym muszą znaleźć się łożyska, niezależnie od tego, czy działa on na Ziemi czy w przestrzeni kosmicznej. Firma Timken produkuje łożyska od niemal 120 lat, nie jest więc niespodzianką, że kilka z nich trafiło nawet na Marsa.

Niesamowite jest jednak to, ile zależy od jednego łożyska w łaziku. – Łożysko nie jest tylko łożyskiem – mówi Renaud. – Bardzo małe odchylenia, nawet dziesięć tysięcznych cala (2,5 mikrometra) w jedną lub drugą stronę może decydować o tym, czy dana część spełni swoją funkcję czy zawiedzie.

A awaria nie wchodzi w grę. Kiedy jedna z części przestanie działać w kosmosie, nie będzie możliwości w żaden sposób jej naprawić i cała misja zakończy się niepowodzeniem. W przypadku lądowania Curiosity na marne mogło pójść 2,5 miliarda dolarów oraz osiem lat planowania i pracy nad marsjańskim łazikiem.

Na szczęście jednak szóstego sierpnia 2012 roku Curiosity gładko wylądował na równinie Aeolis Palus i już od sześciu lat, choć dawano mu tylko 23 miesiące, przemierza kolejne kilometry, przesyłając zdjęcia i wyniki analiz i zapisując się na kartach historii.

Wyzwania technologiczne w przestrzeni kosmicznej

Jako Inżynier Aplikacji – Renaud rozwiązuje wiele problemów z różnych dziedzin. Miał do czynienia z projektami dotyczącymi sprzętu wojskowego, satelit, czujników czy żyroskopów na jachtach. Często jedyne informacje, jakimi dysponuje to czynniki środowiskowe i warunki obciążenia, czyli zewnętrzne siły oddziałujące na łożyska. – Widzimy akronim albo nazwę projektu, ale zdarza się też, że projekty są tajne – mówi Renaud. „W czym to będzie wykorzystane? Nie możemy wam powiedzieć.”

Jeśli chodzi o wykorzystanie technologii w przestrzeni kosmicznej, należy wziąć pod uwagę kilka czynników, które nie stanowią problemu w warunkach ziemskich. Po pierwsze, jak wyjaśnia Renaud, trzeba zwrócić uwagę na ekstremalnie wysokie temperatury, drgania i przyspieszenie podczas startu.

Zazwyczaj inżynierowie firmy Timken przeprowadzają testy z uwzględnieniem podanych przez klienta warunków obciążeń za pomocą własnego programu obliczeniowego Syber, do modelowania, „które symuluje zachowanie łożyska po dodaniu obciążenia i pozwala na obserwację naprężeń wewnętrznych oraz ugięć wałów. Dzięki temu można przewidzieć ewentualne problemy”, mówi Renaud.

Łożyska wykorzystywane w przestrzeni kosmicznej często pracują w próżni, gdzie łatwo o wysychanie środków smarnych. W przypadku Curiosity ten problem rozwiązano projektując łożyska ze środkiem smarnym złożonym z mieszaniny smarów i olejów. Odgazowywanie również może stanowić problem w kosmosie. – Jeśli pracujemy z niestabilnym materiałem, musimy liczyć się z tym, że może on zanieczyścić inne elementy wewnątrz satelity łącznie z istotnymi urządzeniami – mówi Lowry.

Łożyska w przestrzeni kosmicznej muszą być również niezwykle precyzyjne, szczególnie, jeśli kontroluje się i namierza obiekt z orbity. Nieprawidłowo działające łożysko może powodować problemy z dokładnym pozycjonowaniem satelity i przenosić wibracje na całe urządzenie. Przez to z kolei uzyskuje się niestabilny obraz, a to zaledwie początek problemów.

– Jeśli kiedyś próbowaliście wykonać zbliżenie na scenę w trakcie koncertu, to wiecie, jak trudno jest utrzymać aparat w stabilnej pozycji, żeby zrobić wyraźne zdjęcie z dużej odległości – mówi Lowry. – Wyobraźcie sobie, że trzeba zrobić zdjęcie z kosmosu. Przenoszenie wibracji to decydujący czynnik podczas próby skierowania satelity lub zogniskowania urządzenia w celu zebrania danych. W takich warunkach wymagania są wyjątkowo trudne do spełnienia.

Kultura pracy zespołowej

Renaud pracuje w firmie Timken od 11 lat. Zaczął, jako Inżynier Produktu po ukończeniu Wydziału Budowy Maszyn na Uniwersytecie Massachusetts-Lowell. Lowry, Główny Inżynier ds. lotnictwa i kosmonautyki, będzie niedługo świętował swoje dwudziestolecie w firmie. Swoją karierę na tym stanowisku rozpoczął w 2011 r. po pracy w dziale badań i rozwoju i dziale zarządzania.

– Zanim przeniosłem się do działu lotnictwa i kosmonautyki, pracowałem nad łożyskami używanymi w elektrowniach wiatrowych, które mają nawet 3 m-3,7 m (10-12 stóp) średnicy – mówi Lowry. – Tutaj niektóre z nich mają zaledwie 6,35 mm (¼ cala).

Obaj czerpią przyjemność z wykonywania różnego rodzaju projektów. – Każdy dzień jest inny – mówi Renaud.

Praca nad projektami kosmicznymi wartymi miliardy dolarów oznacza, że dokładność ma ogromne znaczenie. Przykładanie wagi do szczegółów jest równie istotne jak kultura pracy zespołowej, która kładzie nacisk na otwartą komunikację.

– Wszyscy jesteśmy tu po to, aby rozwiązywać problemy – wyjaśnia Lowry. – Współpracujemy w sposób otwarty i szczery. To największy atut pracy w firmie Timken.

Timken engineers, John Renaud (left) and John Lowry (right)

Jakie rady mogą dać młodym inżynierom, którzy chcieliby pracować przy projektach w dziedzinie przemysłu kosmicznego? – Zadawajcie dużo pytań – mówi Lowry. – Chłońcie.

Dziś wyjaśnia: „Przekazujemy zdobyte doświadczenie w tej dziedzinie, a kolejne pokolenie przejmuje naszą rolę. Klienci coraz częściej liczą na nasze wsparcie.

Renaud zgadza się z jego zdaniem. – Uczcie się od współpracowników – radzi. – Ludzie, którzy pracują w danym dziale od lat są najlepszym źródłem informacji.

Jednocześnie przemysł kosmiczny szybko ewoluuje. – Satelity są coraz mniejsze i tańsze – mówi Renaud. – Jeśli firma wysyła grupę małych, stosunkowo tanich satelit, dopuszcza się możliwość, że kilka z nich nie zadziała. Do tego Renaud i zespół firmy Timken nie przywykli.

– To zupełnie inna bajka w porównaniu do wcześniejszych lotów w kosmos – twierdzi Lowry. Mimo to oczekuje z niecierpliwością na to wyzwanie. Doświadczenie w firmie Timken i model pracy oparty na współpracy w połączeniu ze świeżymi pomysłami i sposobami myślenia nowego pokolenia bez wątpienia odegra ważną rolę w spełnianiu oczekiwań mniejszych, szybko rozwijających się firm podbijających kosmos.