Wiedza ekspercka firmy Timken umożliwia eksplorację głębokiego kosmosu

Przyszłość lotów kosmicznych rozwija się w zadziwiającym tempie. Bezprecedensowa współpraca między naukowcami publicznymi i prywatnymi napędza nową generację technologii dla misji mających na celu dalszą eksplorację naszego Księżyca, Marsa i nie tylko.

Timken wykorzystuje swoją rozległą wiedzę i możliwości w zakresie lotnictwa i kosmonautyki, aby pomagać klientom w opracowywaniu rozwiązań, które wcześniej nie istniały, dla misji, które nie są już niemożliwe. John Renaud, główny inżynier aplikacji, wyjaśnia.

– Projektujemy i budujemy nasze łożyska na wyrost, aby przetrwały obciążenia startowe. Czynniki takie jak wymagana żywotność łożyska, naprężenia kontaktowe i sztywność systemu na późniejszym etapie misji są brane pod uwagę.

John Renaud
Główny inżynier aplikacji

Cel podróży Europa

Największy statek kosmiczny kiedykolwiek zbudowany dla misji planetarnej NASA, Europa Clipper wystartował w październiku 2024 roku i obecnie otrzymuje asystę grawitacyjną z Marsa, aby mógł szybciej i dalej lecieć w kosmos. Po dotarciu do lodowego księżyca Jowisza Europa w 2030 roku, sonda zgromadzi zdjęcia i dane, które naukowcy mogą wykorzystać do zbadania jego aktywności geologicznej i zdolności do podtrzymywania życia.

Firma Timken współpracowała z klientem Johns Hopkins Applied Physics Lab (APL), aby opracować system punktowy dla systemu obrazowania z wąską kamerą (NAC), który uchwyci przybliżone szczegóły powierzchni Europy.

Kamera jest wyposażona w dwuosiowy system gimbalowy, który pozwala na precyzyjne pozycjonowanie, co jest kluczowe do gromadzenia obrazów o wysokiej rozdzielczości, przełomowych pomiarów i szczegółowego mapowania Europy. Sercem systemu gimbalowego są cienkie łożyska kulkowe Timken®, które pozwalają naukowcom przechylać kamerę płynnie i dokładnie.

– Lot kosmiczny jest bardzo wyspecjalizowany – powiedział John Renaud, główny inżynier aplikacji w firmie Timken z prawie 20-letnim doświadczeniem w projektowaniu łożysk inżynieryjnych dla lotnictwa kosmicznego, komercyjnego i wojskowego. – Każda nowa misja przesuwa granice do skrajności.

Europa Clipper nie jest wyjątkiem. Statek kosmiczny i jego NAC, który jest stosunkowo odsłonięty ze względu na jego pozycję w pojeździe, są już narażone na ekstremalnie niskie temperatury i wysoki poziom promieniowania podczas lotu. Gdy zbliży się on do Europy i zacznie działać w cieniu Jowisza, oczekuje się, że temperatura w systemie spadnie do -400˚F (-140˚C).

Jednak według Renauda największą przeszkodą inżynieryjną jest to, co dzieje się na wyrzutni.

– Statek kosmiczny i jego ładunek muszą najpierw wydostać się z planety – powiedział. – Projektujemy i budujemy nasze łożyska na wyrost, aby przetrwały obciążenia startowe. Czynniki takie jak wymagana żywotność łożyska, naprężenia kontaktowe i sztywność systemu na późniejszym etapie misji są brane pod uwagę.

Inżynierowie w czystym pomieszczeniu w Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA w Południowej Kalifornii budują pokład nadirowy dla statku kosmicznego Europa Clipper NASA. Źródło: NASA/JPL-Caltech

Wyrafinowane modelowanie pozwala rozwijać innowacje klienta

Renaud i jego zespół wspierali inżynierów APL przez cały okres ich wieloletniego rozwoju, modelując łożyska na podstawie kilku iteracji projektu kamery.

Podczas prac rozwojowych NASA zmodyfikowała pojazd startowy Europa Clipper z nowej wyrzutni Space Launch System (SLS) na bardziej opłacalną i łatwo dostępną rakietę SpaceX Falcon Heavy. Zmiana ta naraziłaby NAC i jego łożyska na inny zestaw warunków obciążenia startowego niż ten, który statek kosmiczny pierwotnie zaprojektowano do wytrzymania. Zmiana wydłużyła również czas podróży Europa Clipper na Jowisz, znacznie zwiększając całkowitą ekspozycję łożysk na zimno i promieniowanie.

Przed i po zmianie, inżynierowie wykorzystali Timken® Syber® Bearing System Designer (BSD), solidną platformę inżynierii łożysk, do modelowania różnych geometrii i materiałów w celu przewidywania trwałości i wydajności łożysk. Modelowanie może być szczególnie trudne w przypadku łożysk cienkościennych o dużej liczbie elementów tocznych.

– Dane pomogły nam dobrać materiały nietypowe dla tych łożysk, ale kluczowe dla zastosowania – powiedział Renaud. Opracowaliśmy cienkie łożysko kulkowe przy użyciu stalowego elementu ustalającego i zastosowaliśmy suchy smar, odpowiedni zarówno do przetrwania obciążeń startowych, jak i do wytrzymania długotrwałych ekstremalnych temperatur i promieniowania.

Renaud dodał, że współpraca z klientami jest kluczowa. Zespół firmy Timken dostarczył inżynierom APL łożyska do budowy i testowania prototypu kamery, a także do wprowadzania danych w warunkach testowych. Po przetestowaniu APL dostarczyło firmie Timken dane dotyczące obciążenia krytycznego i wydajności, aby jeszcze bardziej udoskonalić wybór materiału łożyska.

– Wszystko przetrwało start w październiku – dodał Renaud. Kiedy zbliży się do Europy, sukces będzie oparty na założeniach, które przyjęliśmy i modelowaniu, które wspólnie wykonaliśmy.

Zakład firmy Timken w Keene w stanie New Hampshire specjalizuje się w super precyzyjnych łożyskach kulkowych o średnicy zewnętrznej zaledwie 3,175 mm. Ze względu na bardziej precyzyjne tolerancje, łożyska są montowane i sprawdzane w „czystych pomieszczeniach klasy 10 000”, które są prawie wolne od zanieczyszczeń.

Skoncentrowane na przyszłości dziedzictwo badań i rozwoju w przemyśle lotniczym i kosmicznym

Podczas całej swojej podróży Europa Clipper będzie korzystać z dodatkowych rozwiązań łożyskowych firmy Timken w innym kluczowym systemie — zespołach kół reakcyjnych (RWA). System RWA stabilizuje orbiter statku kosmicznego Europa Clipper podczas lotu, aby pomóc utrzymać kurs i zapewnić dokładne pozycjonowanie NAC i innych instrumentów, w tym anten potrzebnych do przekazywania danych naukowcom na Ziemi.

Napotka on również serię innych niesamowitych rozwiązań, które stały się możliwe dzięki ponad stuletniej historii innowacji firmy Timken w branży lotniczo-kosmicznej, takich jak najpotężniejszy teleskop kiedykolwiek zbudowany i łaziki, które badały Marsa przez prawie 30 lat.

Innowacje te stanowią podstawę dla nowej generacji technologii w branży lotniczo-kosmicznej, która szybko się zmienia wraz z ambitnymi nowymi misjami agencji kosmicznych i przykładami komercjalizacji, takimi jak podróże kosmiczne i komunikacja satelitarna.

– Fundamenty pozostaną takie same – podsumował Renaud – ale nadal będziemy pomagać klientom w przesuwaniu granic tego, co możliwe.

Inżynierowie firmy Timken pomagają klientom z branży lotniczo-kosmicznej rozszerzać swoje możliwości i wdrażać nowe technologie. Dowiedz się, jak przygotowujemy się do lotu elektrycznego i zwiększamy efektywność tradycyjnego lotu komercyjnego za pomocą hybrydowych łożysk ceramicznych.

Published: 2025/06/5