我们永不言败: 铁姆肯公司工程师为下一代火星探测器设计轴承

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我们永不言败: 铁姆肯公司工程师为下一代火星探测器设计轴承

2021 年,一台新的探测器将带着寻找远古微生物痕迹的使命登陆火星。当那一天真的到来时,铁姆肯公司的高级应用工程师 John Renaud 可能会挥舞着拳头欢呼。毕竟,探测器降落到火星表面所用的缓降器制动轴承就出自他的设计。

但据 Renaud 的说法,两年前设计这些轴承只用了一天的时间。他的上司,航空总工程师John Lowry 证实道:“John 的确堪称航天领域的专家。”为火星探测器这样的应用设计精密轴承只是一部分工作。

目前的好奇号探测器在降落时也使用Timken轴承,以及更早的探测器勇气号和机遇号。好奇号在其旋转系统的中央轮毂部分也采用了Timken 轴承,通过旋转定位样本杯采集与分析岩石、土壤和大气。除此以外,探测器的小型真空泵也要依靠两件¼ 英寸 (6.35 mm) 的Timken轴承才能运转,并为探测器的分析设备提供支持。

¼ 英寸轴承的价值

如果您认真思考,Renaud的话并不夸张。关于火星探测器的工作没什么好大惊小怪的。任何旋转机构都需要轴承,不管是在太空中还是地球上。铁姆肯公司拥有将近120年生产轴承的历史,其中一些登上了火星也不意外。

真正让人震惊的可能是这些轴承所承担的重大责任。“一件轴承不单单只是一件轴承”,Renaud表示,“非常微小的误差,哪怕只是万分之一英寸(2.5 微米)也可能是成败的关键。”

而我们绝不容忍失败。在太空中,一个部件出现故障,没有人能去修理,这就意味着整个任务彻底失败。以好奇号为例,25亿美元的投资和历时八年的计划和开发,可能会在探测器登陆这颗红色星球的不久后被迫叫停。

而实际上,它于 2012 年 8 月 6 日缓慢地滑到伊奥利亚沼泽地,并在过去的六年时间(远远超出原先预计的23 个月使用寿命)里一直正常运行,发回大量照片和分析数据,凭借它的发现创造了历史。

空间应用的挑战

作为一名应用工程师,Renaud 负责解决各种各样的问题。国防项目、人造卫星、传感器和游艇陀螺仪,他全部都经手处理过。他通常只关注环境因素和负荷状态,也就是轴承需要承受的外力。“我们能看到一些缩写词或项目名称,但有些是机密项目”,他说,“它会被用到什么地方?我们不能告诉您。”

在空间应用中,很多因素发挥着重要的作用,它们在地球上的项目中可能并不是关键。首先,Renaud 举例说道,您必须考虑到极端高温、振动和发射时的加速状态。

一般来说,铁姆肯公司工程师会在 Timken专利建模软件中运行客户提供的负荷状态数据,“它会模拟轴承会对输入的负荷数据做出怎样的反应,并查看接触应力和转动轴变形情况,从而最终确定是否会出现问题”,他说道。

空间应用中的轴承通常在真空环境中运转,而这样的环境一般都极为干燥。为了解决这个问题,好奇号的轴承在设计时选用了一种特制的油脂混合润滑剂。在太空中,释气也有可能成为一个问题。Lowry 表示:“如果我们使用不稳定的材料,它可能会污染人造卫星中的所有部件,包括各种仪器。”

太空中的轴承还必须非常精确,尤其当您需要对准和聚焦轨道上的物体时。如果轴承的运转不流畅,它可能影响卫星准确定位的能力,还会将振动传到卫星的其他部位。这可能意味着它无法获得清晰的图像,但还有更多更严重的问题随之而来。

“如果您曾经试过将摄像机镜头推进到音乐会的舞台,那您肯定知道要保持手部静止不动并从远处拍摄清晰的图像是不可能的”,Lowry 继续说道,“想想看,如果把这段距离换到外太空。振动的传递在您试着对准人造卫星或聚焦仪器进行数据采集的过程中十分关键。从这个角度来看,这些要求就极具挑战性。”

重视协作的文化

从麻省大学罗威尔校区毕业并获得机械工程学位以后,Renaud 就成为铁姆肯公司的一名产品工程师,到如今已过去 11 年。Lowry即将迎来入职 20 周年,他在 2011 年结束研发和项目管理部门的工作后转任航空总工程师一职。

“在进入航空部门前,我负责的风力发电机组轴承直径为 10-12 英尺 (3 m – 3.7 m)”,Lowry 说道,“而在这里,有些轴承只有 ¼ 英寸 (6.35 mm) 那么大。”

两人都对能接触各种项目感到开心。用 Renaud 的话说就是“每天都有新花样”。

不过,投资数十亿美元的太空项目最注重精确。对细节的关注,以及重视开放沟通的团队文化起着决定性的作用。

“大家在这里解决问题” , Lowry 说道. "他们以开放、坦诚和平易近人的方式开展合作。这是我喜欢在铁姆肯公司工作的最重要的原因之一。"

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

对于希望参加未来太空项目的年轻工程师,他们有哪些建议呢?Lowry 回答:“多多提问,要像一块海绵。”

“今天,”他说,“在这个领域内,部分原来的专业理论开始被颠覆,而更年轻的一代应该肩负起这项任务。客户可能会比以往更加依赖于我们的支持。”

Renaud 同意这种看法。他说:“向同事学习。那些多年从事这项工作的同事是您最宝贵的资源。”

与此同时,航天工业正在快速发展。“人造卫星变得更小型化,更低成本”,Renaud 继续说道,“如果一家公司将大量相对低成本的小卫星送上太空,其中有几颗失败了,有时也是情有可原。”这与Renaud 和铁姆肯公司团队所习惯的方式完全不同。

“和过去的航天工业相比,一切将变得截然不同”,Lowry 说道。但他将勇敢面对挑战。铁姆肯公司的专业知识和协作模式,以及新一代工程师的新想法和思考方式,无疑将在满足航天公司追求更小、更灵活的需求中发挥举足轻重的作用。