Глубокие знания Timken позволяют исследовать дальний космос

Будущее космических полетов развивается с поразительной скоростью. Беспрецедентное сотрудничество между государственными и частными исследователями является движущей силой технологий нового поколения для миссий по дальнейшему исследованию нашей Луны, Марса и других объектов.

Компания Timken использует свои глубокие познания и возможности в аэрокосмической отрасли, чтобы помочь клиентам разрабатывать решения там, где их раньше не существовало, для миссий, которые больше не являются невыполнимыми. Рассказывает John Renaud, главный инженер по применению.

«Мы проектируем и изготавливаем наши подшипники с запасом, чтобы они выдерживали нагрузки при запуске. Учитываются такие факторы, как срок службы подшипников, контактные напряжения и жесткость системы для дальнейшей миссии».

John Renaud
Главный прикладной инженер

Пункт назначения – Европа

Крупнейший космический аппарат, когда-либо построенный для планетарной миссии NASA, Europa Clipper был запущен в октябре 2024 года и в настоящее время использует гравитационную силу Марса, чтобы ускориться и отправиться дальше в глубокий космос. Достигнув ледяного спутника Юпитера – Европы в 2030 году, космический аппарат соберет изображения и данные, которые ученые смогут использовать для изучения его геологической активности и возможности существования жизни.

Компания Timken сотрудничала с заказчиком – Лабораторией прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (APL) – с целью разработки системы наведения для системы формирования изображений с помощью узкоугольной камеры (NAC), которая будет захватывать увеличенные детали поверхности Европы.

Камера установлена на двухосевой карданной системе, которая обеспечивает точное позиционирование – важнейший элемент для получения изображений высокого разрешения, проведения новаторских измерений и подробного картографирования Европы. В основе системы карданного подвеса лежат тонкостенные шарикоподшипники Timken®, которые позволяют ученым плавно и точно наклонять камеру.

«Космические полеты очень специализированы, – сказал John Renaud, главный инженер по применению Timken с почти 20-летним опытом проектирования подшипников для космической, коммерческой и военной авиации. Каждая новая миссия невероятно раздвигает границы возможного».

Europa Clipper не является исключением. Космический корабль и его камеры NAC, которые относительно уязвимы из-за своего расположения на корабле, уже подвергаются воздействию чрезвычайно низких температур и высокого уровня радиации во время полета. Ожидается, что после того, как он приблизится к Европе и начнет работать в тени Юпитера, температура в системе упадет до -400˚F (-140˚C).

Однако, по словам Renaud, самым большим инженерным препятствием является то, что происходит на стартовой площадке.

«Космический корабль и его полезная нагрузка должны сначала покинуть планету, – сказал он. – Мы проектируем и изготавливаем наши подшипники с запасом, чтобы они выдерживали нагрузки при запуске. Учитываются такие факторы, как срок службы подшипников, контактные напряжения и жесткость системы для дальнейшей миссии».

Инженеры в чистой комнате Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии строят надирную палубу для космического корабля НАСА Europa Clipper. Титр: NASA/JPL-Caltech

Сложное моделирование продвигает инновации клиентов

Renaud и его команда помогали инженерам APL на протяжении многих лет разработки, моделируя подшипники для нескольких вариантов конструкции камеры.

В ходе разработки НАСА модифицировало ракету-носитель Europa Clipper, заменив новую систему космического запуска (SLS) на более экономичную и доступную ракету SpaceX Falcon Heavy. Это изменение подвергнет камеры NAC и их подшипники воздействию совершенно другим условиям нагрузки при запуске, чем те, на которые изначально был рассчитан космический аппарат. Изменение также увеличивало продолжительность полета Europa Clipper к Юпитеру, при этом значительно возрастало и общее воздействие низких температур и радиации на подшипники.

До и после этого изменения инженеры использовали Timken® Syber® Bearing System Designer (BSD), надежную платформу проектирования подшипников, для моделирования различных геометрий и материалов с целью прогнозирования срока службы и производительности подшипников. Моделирование может быть особенно сложным для тонкостенных подшипников с большим объемом тел качения.

«Эти данные помогли нам выбрать материалы, нетипичные для этих подшипников, но имеющие решающее значение для применения, – сказал Renaud. – Мы разработали тонкосекционный шариковый подшипник со стальным держателем и сухой пленочной смазкой, подходящей как для нагрузок при запуске, так и для длительных экстремальных температур и радиации».

Renaud добавил, что сотрудничество с заказчиками имеет решающее значение. Команда Timken предоставила инженерам APL подшипники для создания и тестирования прототипа камеры, а также данные для условий испытаний. После испытаний компания APL предоставила компании Timken данные о критических нагрузках и эксплуатационных характеристиках для дальнейшего уточнения выбора материала подшипника.

«Запуск состоялся в октябре, – добавил Renaud. – Как только аппарат приблизится к Европе, мы узнаем, насколько успешны наши предположения и совместное моделирование».

Завод Timken в г. Кин, штат Нью-Гэмпшир, специализируется на производстве прецизионных шариковых подшипников с наружным диаметром всего 1/8 дюйма. Из-за более жестких допусков точности подшипники собираются и проверяются в «чистых помещениях класса 10 000», в которых практически отсутствуют загрязнения.

Наследие аэрокосмических исследований и разработок, нацеленных на будущее

На протяжении всего пути Europa Clipper будет использовать и другие решения подшипников Timken в важных системах – блоках гироскопа (RWA). Система RWA стабилизирует орбитальный аппарат Europa Clipper во время полета, помогая поддерживать курс и обеспечивая точное позиционирование камер NAC и других приборов, включая антенны, необходимые для передачи данных ученым на Землю.

Все это стало возможным благодаря более чем столетию аэрокосмических инноваций Timken, среди которых самый мощный телескоп из когда-либо созданных и марсоходы, которые исследуют Марс уже почти 30 лет.

Эти инновации закладывают основу для следующего поколения аэрокосмических технологий, которые стремительно меняются в связи с новыми амбициозными миссиями космических агентств и коммерциализацией таких видов деятельности, как космические полеты и спутниковая связь.

«Основы останутся прежними, – заключил Renaud. – Но мы продолжим помогать клиентам расширять горизонты возможного».

Инженеры Timken помогают заказчикам из аэрокосмической отрасли расширять границы возможного и внедрять новые технологии. Узнайте, как мы готовимся к электрическим полетам и повышаем эффективность традиционных коммерческих полетов с помощью гибридных керамических подшипников.

Last Updated: 2025/06/11

Published: 2025/06/5