Miniaturowe silniki w badaniu kosmosu

Wysłanie każdego dodatkowego kilograma na orbitę wiąże się ze stukrotnie większym kosztem ponoszonym na paliwo! Z tego powodu mikronapędy są w tego typu aplikacjach doskonałym wyborem. Są one również odporne na krótkotrwałe przeciążenia i mogą pracować w dużym zakresie temperatur ujemnych i dodatnich - o ile zostaną nieznacznie zmodyfikowane w zakresie stosowanych materiałów i środków smarnych.

Fot. 1. Kompaktowe, łatwe w obsłudze napędy bazujące na silnikach krokowych FAULHABER mogą sprostać najróżniejszym wyzwaniom, w tym pracując jako moduł do rozwijania sond pomiarowych

Sprawia to, że w zastosowaniach kosmicznych są one produktami optymalnymi pod względem ekonomicznym, co dzieje się bez utraty ich niezawodności i trwałości.

Nowoczesny świat opiera się na wykorzystaniu energii elektrycznej, fal elektromagnetycznych oraz różnorodnych urządzeń. Chociaż polegamy na nich praktycznie na co dzień, podlegają one wpływowi zewnętrznych zakłóceń. Interakcja pomiędzy wiatrem słonecznym a ziemskim polem magnetycznym jest nie tylko powodem powstawania imponujących zórz polarnych, ale też może paraliżować działanie sieci energetycznych i telekomunikacyjnych w krajach półkuli północnej.

Aby zbadać wpływ magnetosfery ziemskiej na nasz świat, w 2014 roku NASA wysłała w kosmos cztery sondy pomiarowe. Każdy z satelitów zawiera cztery jednostki silnikowe dostarczone przez firmę MICROMO z USA wchodzącą w skład grupy FAULHABER. Napędy te odpowiadają za zwijanie i rozwijanie kabli sond pomiarowych.

ISTNIEJE TYLKO JEDNA SZANSA

Rys. 1. Pole magnetyczne Ziemi jest zniekształcane przez wiatr słoneczny - jego dokładne pomiary pozwalają przewidywać występowanie zakłóceń w działaniu urządzeń i systemów elektrycznych

Eksploracja kosmosu to kosztowny biznes, a w przypadku wielu misji szansa na powodzenie jest tylko jedna. Jeżeli wystąpi błąd, to właściwie nie ma możliwości i często też zasobów do przeprowadzenia drugiej próby. Stąd też kluczowe stają się tu dwa aspekty - niezawodność i opłacalność ekonomiczna. W tym obszarze wymagania odnośnie do technologii kosmicznych pokrywają się z naszymi "ziemskimi", przemysłowymi.

Nowoczesne rozwiązania mikronapędowe są dzisiaj na tyle dojrzałe, że praktycznie nie są wymagane ich modyfikacje w celu zastosowań w warunkach ekstremalnych. Przeważnie dokonuje się tu niewielkich optymalizacji technicznych - to wszystko, czego potrzeba do spełnienia wymagań.

Gdy NASA rozpoczęła poszukiwania napędów do wykorzystania w projekcie Magnetospheric Multiscale Mission (MMS), wymagane było znalezienie jednostki małej, lekkiej, a jednocześnie wydajnej i długoterminowo niezawodnej. Taki produkt znalazł się w filii firmy FAULHABER w Stanach Zjednoczonych. Miniaturowe silniki krokowe zostały wybrane do zwijania i rozwijania czterech sond do pomiarów pola magnetycznego - każdej o długości około 60 metrów.

Ponieważ misja ma na celu obserwację wpływu wiatru słonecznego na ziemskie pole magnetyczne, czas jej trwania planowany był na kilka lat. W pierwszym roku obserwacje skupione były na regionie pomiędzy Ziemią i Słońcem, w kolejnym sondy zostały przeprogramowane i obserwowany był obszar odwrócony od Słońca, gdzie obraz pola magnetycznego wygląda niczym flaga umieszczona na wietrze słonecznym.

Jako że jednocześnie wykorzystywane były cztery satelity z kompletem sond i całych systemów pomiarowych, konieczne było dostarczenie do NASA czterdziestu zmodyfikowanych, kompaktowych jednostek napędowych.

WYMAGAJĄCE ZADANIA

Rys. 2. Rozmieszczenie napędów nawijarki kabli w satelicie

Niewielka waga i wymiary to nie wszystkie korzyści związane z miniaturowymi silnikami krokowymi. Ich niezawodność dodatkowo zwiększa brak konieczności stosowania wymagających kontrolerów - wystarczą relatywnie proste, a dzięki temu też wytrzymałe sterowniki silników krokowych. Jak wiadomo - im większy poziom złożoności urządzeń elektronicznych, tym bardziej są one narażone na wpływ promieniowania kosmicznego.

W takich przypadkach wymagane jest też zwykle dodatkowe ekranowanie, co zwiększa ciężar całego układu. Warto również zaznaczyć, że silniki są zintegrowane z przekładniami, a całkowita długość kompaktowych jednostek to zaledwie ułamek powyżej 56 mm. Pomimo wysokiego poziomu miniaturyzacji, napędy mogą wytwarzać moment obrotowy do 0,5 Nm.

Główne zmiany wprowadzone w silnikach dotyczyły zastosowania odpowiednich środków smarnych oraz otworów do szybkiego odpowietrzania jednostek napędowych. Te ostatnie są szczególnie ważne, bowiem rakieta bardzo szybko opuszcza atmosferę i konieczne jest zapewnienie szybkiej wentylacji silników, tak aby nie powstały w nich uszkodzenia spowodowane nadmiernym ciśnieniem wewnętrznym.

Jeżeli chodzi o smarowanie, ważne było, aby wykorzystać materiał, który jest odporny na ekstremalne temperatury i nie odparowuje w próżni. Standardowe komponenty, takie jak łożyska i elementy przekładni zębatej, zostały nasmarowane odpowiednim rodzajem smaru. Wszystkie napędy musiały być oddzielnie oznakowane i wydane z odpowiednim świadectwem homologacji.

PODSUMOWANIE

Dostępne dzisiaj nowoczesne mikrosilniki mogą - jako elementy standardowe, spełniać dosyć ekstremalne wymagania. Drobne poprawki w ich projekcie czy wykorzystywanym smarowaniu to wszystko, co jest wymagane, aby sprostały one nawet najbardziej wymagającym warunkom podczas eksploracji kosmosu.

FAULHABER