Ошибки недопустимы: Инженеры Timken проектируют подшипники для нового марсохода

Вместе

Ошибки недопустимы: Инженеры Timken проектируют подшипники для нового марсохода

В 2021 г. на Марс совершит посадку новый марсоход, который будет заниматься поиском древних микробных форм жизни. Когда настанет этот день, старший инженер по применению Timken John Renaud сможет победно вскинуть руки и радостно вскрикнуть «Да!» И это понятно, поскольку подшипники для спусковых тормозов, которые опускают марсоход на поверхность, были его разработкой.

Однако Renaud говорит, что два года назад именно проектирование таких подшипников и являлось его каждодневной работой. Его начальник, главный инженер в обласи аэрокосмических разработок John Lowry, поясняет. «John является своего рода специалистом по космическим полетам, — говорит он. Проектирование прецизионных подшипников для таких устройств, как марсоходы, является частью его работы.

В работающим в настоящее время марсоходе Curiosity также использовались подшипники Timken во время его спуска на планету, как и в двух предыдущих марсоходах Spirit и Opportunity. К тому же в Curiosity установлены подшипники Timken в центральной ступице карусельной системы, которая поворачивается для позиционирования пробирок для сбора образцов камней, почвы и атмосферы. Кроме того, два 1/4-дюймовых (6,35 мм) подшипника Timken установлены в миниатюрном вакуумном насосе, который используется вместе с аналитическим оборудованием марсохода.

Ценность 1/4-дюймового подшипника

Если проанализировать ситуацию, то, по мнению Renaud, вся работа с марсоходами не является какой-то неожиданностью. В любом вращающемся механизме требуются подшипники, независимо от того, работает он на Земле или в космосе. Компания Timken производит подшипники уже почти 120 лет, поэтому неудивительно, что несколько из них оказалось на Марсе.

Что может вызывать удивление, так это сколько усилий тратится на разработку этих подшипников. «Подшипник — это не просто подшипник, — говорит Renaud. Очень малые отклонения, всего десятки тысячных дюйма (2,5 микрона) в ту или иную сторону, уже делают деталь непригодной», — отмечает он.

А у нас просто нет права на ошибку. Если деталь выйдет из строя в космосе, то отремонтировать ее будет некому, и в результате под вопросом окажется успех всей миссии. В случае Curiosity 2,5 миллиона долларов и восемь лет планирования и разработок могли вылететь впустую сразу после посадки на Красной планете.

Вместо этого, он плавно опустился на равнину Aeolis Palus 6 августа 2012 и до сих пор ездит повсюду, отправляя фотографии и аналитические данные уже шесть лет сверх проектного срока службы 23 месяца, внося важный вклад в историю своими открытиями.

Сложности проектирования узлов для космических аппаратов

Как инженеру по применению Renaud приходится решать самые разные задачи. На его счету проекты в области национальной безопасности, спутники, датчики и гироскопы для яхт. Часто он видит только факторы воздействия окружающей среды и условия нагружения — те внешние силы, которые должен выдерживать подшипник. «Нам сообщают сокращения или название программы, но иногда проекты бывают абсолютно секретными, — говорит он. — Где это будет использоваться? Мы не можем вам этого сказать».

Что касается космических применений, появляется несколько факторов, которые могут быть не столь критически важными для проектов, используемых на Земле. Во-первых, как отмечает Renaud, необходимо учитывать воздействие экстремально высоких температур, вибрации и ускорения во время старта.

Как правило, инженеры Timken вводят данные по нагрузкам, предоставленные заказчиком, в Syber — программное обеспечение для моделирования, разработанное компанией Timken. «Оно моделирует, как подшипник будет реагировать на приложенные нагрузки и анализирует контактные напряжения, а также отклонения вала, выявляя возможные проблемы», — говорит он.

В космосе подшипники часто эксплуатируются в вакууме, в результате чего смазка часто высыхает. Для решения этой проблемы для Curiosity были разработаны подшипники со специальной смазкой, представляющей собой смесь из консистентной смазки и масла. Отсутствие атмосферы также может создавать проблемы в космосе. «Если бы мы работали с текучим материалом, это могло бы привести к загрязнению всех компонентов внутри спутника, включая приборы», — говорит Lowry.

Подшипники, которые используются в космосе, должны иметь невероятно точными, особенно если речь идет о фокусировке или наведении на что-либо на орбите. Если подшипник вращается не плавно, это может повлиять на возможность точного позиционирования спутника, а также передавать вибрацию на весь спутник. Во-первых, это значит, что не удастся получить четкое изображение.

«Если вы когда-либо пытались использовать трансфокатор на камере для съемки сцены на концерте, то вы знаете, что держать руку абсолютно неподвижно, чтобы получить четкое изображение, практически невозможно, — говорит Lowry. А теперь представьте, что съемка ведется на огромных расстояниях в космическом пространстве. Передача вибрации, когда вы пытаетесь навести спутник или сфокусировать прибор для сбора данных, становится критической. С этой точки зрения требования являются очень жесткими».

Культура, в которой ценится совместная работа

Renaud работает в компании Timken 11 лет. Он начинал работать инженером-конструктором после окончания университета Массачусетса Лоуэлл по специальности технологий машиностроения. Lowry работает в компании уже почти 20 лет. Он является главным инженером аэрокосмических проектов с 2011 г. после работы в области научно-исследовательских разработок и управления различными программами.

«Перед тем, как переключиться на аэрокосмические проекты, я разрабатывал подшипники для ветряных турбин, которые были диаметром 10–12 футов (3–3,7 м), — говорит Lowry. Здесь же я занимаюсь маленькими подшипниками, диаметром всего 1/4 дюйма (6,35 мм)».

Им обоим нравится работать над разными проектами. «Каждый день не похож на другой», — говорит Renaud.

Тем не менее, участие в космических программах стоимостью в миллиарды долларов, означает, что точность становится превыше всего. Очень важно учитывать все детали, а также поддерживать культуру командной работы, обеспечивающую открытое общение.

«Люди здесь собрались для того, чтобы решать задачи, — говорит Lowry. Они честно и открыто работают вместе и всегда готовы прийти на помощь. Это одно из качеств, за что я люблю работу в Timken».

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

Сегодня, говорит он: «некоторые первоначальные представления в нашей отрасли начинают радикально меняться, и молодое поколение успешно осваивает новые роли. Клиенты могут полностью положиться на нашу поддержку».

Renaud соглашается. «Учитесь у своих коллег, — добавляет он. У тех, кто работает уже много лет, есть много, чему поучиться».

В то же время космическая отрасль быстро развивается. «Спутники становятся меньше и дешевле, — говорит Renaud. Если компания запускает серию относительно недорогих спутников, иногда вполне допустимо, если некоторые из них выйдут из строя». Это то, к чему Renaud и специалисты Timken никак не привыкнут.

«Со времен предыдущих космических полетов все сильно изменилось, — говорит Lowry. Однако он готов к новым сложным проектам. Знания и опыт, а также модель командной работы компании Timken в сочетании с новыми идеями и образом мышления нового поколения, несомненно, сыграют важную роль в удовлетворении потребностей небольших и гибких космических компаний.