Revista >> Mai 2018 [Nr. 204] >> Cercetare & Invatamant superior

COMOTI participă la dezvoltarea facilităților de testare a echipamentelor destinate misiunilor spațiale

Ing. Dan Ifrim, ing. Ionut Popa, ing. Alexandru Cancescu - INCD Turbomotoare COMOTI

23 Mai 2018

Industria spațială este un domeniu de interes și de maximă actualitate atât la nivel mondial, cât și la nivel național din punct de vedere științific, economic și strategic. Creșterea acesteia în ultimii ani este remarcabilă, numărul firmelor implicate în acest tip de activități fiind din ce în ce mai mare. Strategiile în domeniu sunt bine definite, programele spațiale sunt atent planificate, iar acțiunile sunt minuțios pregătite și urmărite în ceea ce privește derularea lor, de la nivelul Agenției Spațiale Europene și până la nivelul tuturor subcontractorilor.

Testarea - un element cheie în dezvoltarea echipamentelor pentru spațiu
Succesul misiunilor spațiale depinde în primul rând de sistemele, echipamentele și componentele utilizate. Acestea trebuie să răspundă cerințelor impuse, să fie fiabile și să reziste condițiilor extreme ale spațiului cosmic. Dezvoltarea lor implică o atentă proiectare, în care calculele de rezistență și vibrații, precum și cele termice au un rol important. De asemenea, fabricația trebuie realizată la standarde ridicate de calitate, iar testarea în condiții similare celor de la lansare și de funcționare în condiții de vid înaintat și cicluri de temperaturi extreme constitue un element cheie, riscurile programelor spațiale fiind foarte ridicate. Conform standardelor elaborate de Agenția Spațială Europeană, scopul testării echipamentelor destinate spațiului este „de a demonstra, fără urmă de îndoială, fiabilitatea acestora în condiții similare spațiului cosmic”. Mai mult, este necesar a se demonstra că echipamentul respectiv nu este operațional doar la un anumit moment, ci pe întreg parcursul misiunii, în care condițiile de mediu (temperatură, vibrații, doză de radiații, etc.) pot varia semnificativ.

Datorită complexității testelor, a cerințelor legate de analiza comportamentului în vid la temperaturi extreme, în condiții diverse de încărcări statice și dinamice, precum și la vibrații, în Europa sunt puține centre de testare, iar gradul lor de încărcare este ridicat, programarea testelor făcându-se cu mult timp înainte. Foarte importante sunt facilitățile de care dispun centrele, dar și procedurile de testare și metodele de atingere a parametrilor impuși de misiunea spațială.

Testarea echipamentelor sondei spațiale JUICE – o provocare pentru cercetare
O provocare pentru cercetătorii implicați în dezvoltarea de echipamente pentru spațiu este misiunea JUICE (JUpiter ICy Moons Explorer), destinată explorării sateliților naturali ai lui Jupiter cu potențial habitabil (ex: identificarea de surse de apă necesare susținerii vieții), deoarece călătoria spre Jupiter durează 8 ani, timp în care toate echipamentele navei spațiale sunt supuse la un număr extrem de mare de cicluri termice, între 50 K și 400 K, în condițiile specifice spațiului cosmic. Testele în acest caz sunt complexe, temperaturile extreme fiind posibil de atins numai în condiții speciale. Pentru realizarea lor s-a calificat Centrul Spațial de pe lângă Universitatea din Liege, un centru de testare cu o foarte bună reputație științifică, deținând facilități de testare în condiții relevante de presiune și temperatură similare spațiului, asigurând o versatilitate extinsă, care a propus o soluție de testare bazată pe conceptul de cort termic, respectiv incintă la care temperaturile extrem de scăzute să se obțină în două trepte, prima prin răcirea cu azot lichid până la temperatura de 90 K, iar a două prin răcire cu heliu lichid până la temperatura de 20 K. Temperaturile înalte se obțin folosind un sistem cu lămpi în infraroșu. Incinta este complet izolată de camera de testare, fiind plasată într-un cadru extern și închisă cu o ușă prevăzută cu sistem de etanșare. Pe pereții incintei sunt sudate rețele de țevi din inox prin care circulă azot lichid pentru obținerea temperaturilor joase, în timp ce temperaturile înalte se obțin folosind un sistem cu lămpi în infraroșu. În mod normal, în vid nu este posibilă convecția între azotul lichid și interiorul incintei, acest fapt fiind suplinit prin introducerea unui mbar atmosferă de heliu gazos. Pentru a se obține rezultatele dorite s-a impus ca transferul termic între incinta termică, cadrul de susținere și sistemul de depozitare a echipamentelor în cutie să fie cât mai scăzut.

Un nou concept de incintă de testare termică
Proiectul a presupus dezvoltarea a două incinte de mărime diferită: una mică, având dimensiunile 3,6 x 2 x 1,3 metri, utilizată pentru testarea instrumentelor științifice folosite pentru diferite studii specifice misiunii, și una mare, având dimensiunile 4,5 x 3 x 2 metri, destinată testării panourilor solare și antenelor care echipează sonda JUICE. Incinta mică finalizată și pregătită de integrare în camera de testare este prezentată în figura 1. În interiorul acesteia este introdus un sistem de rafturi pe care se plasează specimenele ce urmează a fi testate, fiind înconjurate de mantale de cupru cu țevi prin care circulă azot sau heliu lichid pentru o răcire mai intensă, precum și sisteme de lămpi în infraroșu pentru încălzire menționate anterior.

Provocări în dezvoltarea cutiei și metode de abordare a acestora
Diferența de presiune dintre interiorul camerei de testare și cel a incintei în timpul ciclurilor termice cauzează tensiuni foarte mari asupra pereților incintei, motiv pentru care INCDT COMOTI a dezvoltat o serie de sisteme de siguranță care previn efectele presiunilor negative și pozitive. Efectele suprapresiunii sunt limitate de profile L montate pe cadrul incintei care limitează expansiunea acestia, în timp ce pentru subpresiune au fost dezvoltate două noi concepte de sisteme de susținere bazate pe cablu multifilar, unul din ele fiind prezentat în figurile 3 și 4. Acestea au fost proiectate, fabricate și testate de către INCDT COMOTI, fiind ulterior folosite pentru ambele incinte, mică și mare.

Aceste sisteme sunt folosite atât pentru susținerea pereților la exterior, cât și pentru susținerea probelor pe ansamblul de rafturi în interiorul incintei, testele de tracțiune efectuate dovedind capabilitatea acestora de a respecta cerințele impuse de către Centrul Spațial din Liege. Totodată, în prezent acest concept este în curs de brevetare și omologare la OSIM.
O altă provocare importantă a acestui proiect a fost gradientul mare de temperatură dintre partea din față a incintei și cea din spate, conducând la necesitatea de a încălzi sistemul de etanșare al cutiei pe bază de O-ring din Viton, ce nu rezistă la temperaturi sub -50°C. Pentru a preveni apariția tensiunilor foarte mari în partea din față a cutiei, INCDT COMOTI împreună cu Centrul Spațial din Liege a optat pentru o structură cu grosime progresivă pe lungimea incintei, de la 8 mm în partea din față până la 1 mm în partea din spate.

Produsul final – un real succes
După finalizarea primei incintei de testare, aceasta a fost predată beneficiarilor de la Centrul Spațial din Liege în februarie 2017 pentru a fi integrată într-una din camerele acestora de testare. În figura 4 este prezentată incinta mică integrată în camera de testare Focal 6.5 (6,5 metri diametru) în premisele Centrului Spațial din Liege, precum și componența acesteia în secțiune.
Testele efectuate cu ajutorul incintei termice constau în 5 cicluri termice diferite, cuprinse între 45 și 423 K (-228°C ÷ +150°C). Temperaturile scăzute sunt obținute cu ajutorul circuitului de azot lichid de pe fețele incintei și a heliului gazos pompat în aceasta, iar cele înalte folosind o serie de lămpi cu infraroșu, reprezentate grafic în figura 1.
Prima campanie de teste s-a desfășurat între lunile iulie și decembrie 2017 și a fost finalizată cu succes, incinta termică de dimensiuni mici dezvoltată de INCD Turbomotoare COMOTI funcționând fără probleme și astfel satisfăcând atât cerințele impuse de beneficiar, cât și pe cele impuse de producătorul echipamentelor testate. În figura 7 sunt prezentate 2 grafice cu evoluția ciclilor termici calzi și reci obținuți în incinta mică, în comparație cu o predicție a Centrului Spațial din Liege.