Mentre la commercializzazione dello spazio con satelliti in orbita terrestre bassa sta entrando in un periodo di crescita esponenziale, l'esplorazione più approfondita dello spazio con veicoli spaziali con e senza equipaggio, stazioni orbitanti e razzi che trasportano vari materiali, sta attraversando una nuova rinascita.
Pensa, ad esempio, al Perseverance Rover che sta esplorando la superficie di Marte. Allo Space Launch System, un sistema di lancio orbitale più potente di qualsiasi razzo mai creato, progettato per trasportare per la prima volta equipaggi in volo nello spazio. E non dimentichiamo il progetto Artemis, che riporterà le persone sulla luna con l'obiettivo di creare un insediamento permanente a scopo di ricerca scientifica, sviluppo di opportunità commerciali e come preparazione all'esplorazione umana del pianeta Marte e di altre parti della galassia.
Questi, sono solo alcuni esempi dei progetti in corso o attualmente operativi. Le opportunità sono allettanti, ma sfruttarle richiede la risoluzione di sfide significative al fine di preservare la sicurezza delle persone e il successo delle missioni.
Il guasto non è un'opzione
Una delle maggiori sfide è garantire le prestazioni e l'affidabilità dei sistemi di motion che controllano molte funzioni di un veicolo spaziale, tra cui i sottosistemi per l'altitudine e l'articolazione, la produzione di energia, la comunicazione, l'osservazione, il controllo ambientale e il supporto vitale, oltre a molti altri. Questi motori devono garantire un funzionamento senza problemi per un periodo prolungato, per alcune missioni più di 30 anni, in condizioni estreme.
I veicoli per l'esplorazione della superficie (rover), con o senza equipaggio, hanno requisiti di movimento aggiuntivi, inclusi motori per la trazione e lo sterzo, controllo di bracci robotici, posizionamento di telecamere per la navigazione e per evitare ostacoli, raccolta di campioni e molte altre funzioni speciali.
I veicoli spaziali con equipaggio, le stazioni spaziali e le strutture abitative hanno requisiti di motion ancora più complessi e critici per i sottosistemi di controllo ambientale e supporto vitale, protezione dalle radiazioni, rifiuto del calore, pompe di raffreddamento criogeniche, controllo dell'altitudine, mobilità, strumenti di coppia e altro ancora.
Le missioni spaziali con e senza equipaggio dipendono sempre più dalla produzione robotica, dall'assemblaggio e dalla manutenzione delle attrezzature. Allo stesso modo, serviranno robot per realizzare i futuri progetti di abitazioni extraterrestri, estrarre le risorse su altri pianeti, eseguire la manutenzione delle attrezzature e così via.
Date le numerose correlazioni tra tutti questi sistemi e sottosistemi, il guasto di un singolo sistema di motion può compromettere più elementi della missione e può richiedere riparazioni difficili e talvolta pericolose. Le sfide sono notevoli. Quando il guasto non è un'opzione, occorre scegliere motori di cui fidarsi.
Sfide spaziali
In diversi momenti del viaggio nello spazio, ad esempio durante il decollo, il raggiungimento della velocità Mach 1, la separazione degli stadi del razzo, l'accensione dei propulsori, l'attracco e l'atterraggio, si sperimentano picchi di urti e vibrazioni. I motori devono essere in grado di sopportare tutti questi eventi senza danni ai cuscinetti, agli avvolgimenti, alle connessioni, ai dispositivi di retroazione o ad altri componenti.
Per quanto la robustezza della struttura sia importante per evitare danni, lo spazio presenta altri pericoli che rappresentano una minaccia ancora maggiore per i motori e altri componenti, soprattutto quando si prevede che funzionino in modo affidabile per anni o addirittura decenni. I principali tra questi pericoli sono i picchi di temperatura, radiazioni e vuoto.
La temperatura di base nello spazio è di −270 °C. Da questo minimo i valori possono salire a livelli estremamente variabili a seconda dell'ambiente specifico. Ad esempio, le temperature sulla superficie lunare all'equatore vanno da +120 °C di giorno a -130 °C di notte. Le regioni costantemente in ombra vicine ai poli possono arrivare a -253 °C e si tratta di zone di particolare interesse poiché possono presentare acqua ghiacciata potabile o utilizzabile per produrre carburante.
Anche in presenza di sistemi di gestione termica per mitigare queste condizioni, i sistemi devono comunque essere in grado di garantire buone prestazioni a temperature estreme e attraverso rapidi cicli di temperatura. Altrettanto importante, non devono causare problemi termici dovuti ad aumenti eccessivi della temperatura che potrebbero ridurre la durata operativa e danneggiare altri componenti vicini.
Le particelle ionizzate dei raggi cosmici galattici e le radiazioni elettromagnetiche dovute agli eventi solari possono avere un'energia tale da attraversare l'esterno dei veicoli spaziali e danneggiare i sistemi elettronici ed elettromeccanici all'interno. Nei motori l'isolamento, l'incapsulamento degli avvolgimenti e altri componenti devono essere progettati con materiali speciali altamente resistenti alla degradazione in presenza di queste radiazioni improvvise e potenti.
Nel vuoto estremo dello spazio, il degassamento dei materiali non metallici può rappresentare un grave problema in quanto i composti volatili condensano e contaminano lenti, specchi, sensori e altre superfici. Esempi di materiali con scarse performance nello spazio sono tra gli altri, poliesteri, Teflon, vinile, nylon, silicone, gomma naturale, gomma butilica, polistirene e polietilene. I motori progettati per l'uso nello spazio devono eliminare l'impiego di questi materiali o sostituirli con altri che abbiano bassi livelli di desorbimento/degassamento.
Progetta con Kollmorgen
Kollmorgen fornisce motori progettati per l'uso nei voli spaziali sin dal programma Gemini negli anni '60, continuando con la stazione spaziale Skylab e gli Space Shuttle, fino ad arrivare all'attuale crescita esponenziale dei satelliti in orbita terrestre bassa.
In parallelo, i nostri motori spaziali si sono spinti più lontano nello spazio. Erano nelle missioni Apollo sulla luna, sul Viking 1 lander su Marte e sui rover Spirit, Opportunity, Curiosity e Perseverance su Marte. E i nostri clienti prevedono di utilizzare i nostri motori in molte altre missioni nell'ambito delle esplorazioni spaziali.
Kollmorgen è il partner giusto per i tuoi veicoli spaziali perché siamo specializzati nella progettazione collaborativa di motori che si adattano all'ambiente specifico, indipendentemente da quanto possa essere estremo.
Per le applicazioni spaziali possiamo offrire soluzioni che sfruttano le nostre gamme di motori frameless KBM, TBM e RBE, adatte all'uso in ambienti soggetti a radiazioni intense. I motori possono essere progettati in conformità con i requisiti di degassamento secondo NASA-STD-6016A, durante l'esecuzione in condizioni di vuoto estremamente elevato. Sono disponibili in vari modelli con un intervallo di temperatura ambiente molto elevato e un basso incremento termico. Inoltre, la densità di coppia riduce al minimo dimensioni e peso, un aspetto cruciale per qualsiasi applicazione spaziale.
Dal momento che le varianti dei nostri motori convenzionali effettuate per adattarsi alle applicazioni spaziali si basano su modelli standard, Kollmorgen contribuisce a ridurre i costi di progettazione extra e i tempi di consegna per motori progettati per durare anni nelle condizioni estreme dell'esplorazione spaziale e dell'insediamento extraterrestre.
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