Revista >> Decembrie 2018 [Nr. 210] >> Top Story

Contribuția COMOTI la consolidarea domeniului spațial din România

Ing. Radu Mihalache, ing. Dragos Mihai, dr. ing. Valeriu Vilag – INCD Turbomotoare COMOTI

12 Decembrie 2018

Explorarea spațiului reprezintă ultima frontieră a științei, servind nu doar la cunoașterea originii Universului, ci și la îmbunătățirea vieții cotidiene a oamenilor. Prin acceptarea provocărilor apărute în acest sens, sunt dezvoltate tehnologii de vârf, noi industrii, precum și o colaborare pașnică la nivel global între națiuni. Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare Turbomotoare COMOTI este foarte activ implicat în domeniul spațial, contribuind la evoluția programului național spațial și la intensificarea cooperărilor internaționale.

România este membră a Agenției Spațiale Europene (ESA) începând cu anul 2011 și face parte din rândul statelor noi membre ale agenției. Acest statut oferă o serie de oportunități, precum susținerea dezvoltării de tehnologii și produse, astfel încât companii din cadrul României să intre în rândul marilor dezvoltatori și integratori de sisteme destinate industriei spațiale. Cercetarea, tehnologia și dezvoltarea spațială sunt recunoscute în România drept o zona strategică, cu un rol catalizator pentru alte domenii. Acest angajament strategic se reflectă în evoluția pozitivă a programului spațial național și în intensificarea cooperărilor naționale și internaționale.
COMOTI este un exemplu de succes în ceea ce privește implicarea și rezultatele obținute în domeniul spațial românesc și european, implementând sau având în implementare importante proiecte naționale și europene. COMOTI acordă o importanță ridicată domeniului spațial, acesta regăsindu-se și în strategia Institutului, strategie care ia în considerare Strategia Națională de Cercetare-Dezvoltare și Inovare 2014-2020, precum și strategiile ESA și Agenției Spațiale Române (ROSA). Pentru a face față rigorilor și cerințelor mediului spațial, COMOTI încurajează dezvoltarea profesională a cercetătorilor și inginerilor implicați în acest domeniu prin participarea la diferite cursuri de formare organizate de ESA, ROSA sau alte entități din domeniu. În acest moment, COMOTI este printre singurele companii din România capabile să furnizeze produse hardware pentru domeniul spațial, iar acest lucru este susținut și confirmat prin participarea în numeroase proiecte europene ce au avut sau au beneficiari precum: ESA, MT Aerospace, Centrul Spațial de pe lângă Universitatea din Liege, AIRBUS Defence & Space – Spania. Printre programele sau proiectele la nivel european, implementate sau în curs de implementare în cadrul COMOTI, se pot menționa:
♦ dezvoltarea de sisteme de etanșare pentru o misiune de reîntoarcere de pe Phobos (satelit natural al planetei Marte) în cadrul programului MREP2 (Mars Robotic Exploration Preparation 2);dezvoltarea de facilități de testare pentru misiunea JUICE (JUpiter ICy Moons Explorer);
♦ dezvoltarea de echipamente de integrare și manipulare la sol a celor doi sateliți destinați misiunii PROBA 3;
♦ echipamente și dispozitive pentru rezervoare criogenice cu perete comun realizate în cadrul programului FLPP (Future Launcher Preparation Programe);
♦ dezvoltare standuri de testare turbopompe ce vor echipa noul lansator VEGA-E.

La nivel național, strategia ROSA este în strânsă concordanță cu cea a ESA, sprijinind astfel entitățile românești implicate în industria spațială prin programe de cercetare, dezvoltare și inovare, cum este, de exemplu, programul STAR – Tehnologie Spațială și Cercetare Avansată. COMOTI a implementat cu succes proiecte de cercetare-dezvoltare în cadrul competițiilor C1 – 2012 și C2 – 2013 și are în acest moment în implementare numeroase proiecte finanțate în cadrul competiției C3. Acest lucru confirmă rezultatele excelente obținute de COMOTI în cadrul domeniului spațial și conferă o încredere sporită prin faptul că, într-un timp relativ scurt, se va ajunge și la calificarea unui produs de tip flight hardware. Toate aceste proiecte au ca obiectiv creșterea gradului de maturitate a tehnologiilor și produselor studiate. În continuare sunt prezentate pe larg rezultatele actuale pentru o parte din proiectele finanțate de ROSA prin programul STAR, competiția C3.

Reflector de antenă pentru misiuni în spațiul cosmic îndepărtat
Succesul unei misiuni spațiale este dependent de asigurarea comunicării între satelit/navă spațială și stațiile terestre plasate pe Pământ. Pentru îndeplinirea acestei funcții, sateliții sunt echipați cu una sau mai multe antene ce emit și recepționează unde electromagnetice.
Antenele de tip reflector sunt utilizate la scară largă pentru stațiile de emisie-recepție de la sol, sateliți, radare, radioastronomie și pentru comunicarea în spațiul cosmic îndepărtat. Principalul avantaj al antenelor reflector este reprezentat de capacitatea mare de a recepționa și emite undele electromagnetice, fără a fi necesară o amplificare activă ca în cazul altor tipuri de antene.
În cadrul proiectului 135, „ITAR - Improved Technologies for In-Orbit High Geometrical Accuracy and Low Mass Antenna Reflector”, COMOTI este partener cu alte două institute de cercetare, INOE 2000 și ICSI Râmnicu Vâlcea, precum și cu compania HPS România. Obiectivul general al proiectului este de a dezvolta, realiza și testa un reflector metalic de antenă, cu masă redusă și acuratețe geometrică ridicată. Se vor studia două tehnologii de realizare și se va determina tehnologia optimă astfel încât reflectorul să aibă o deformare minimă a suprafeței atunci când este plasat pe orbită și supus la gradienți mari de temperatură.

Rezultate actuale
Pe baza specificațiilor tehnice definite la începutul proiectului, s-au realizat mai multe configurații pentru geometria reflectorului, iar în urma analizelor structurale și termice s-a ales geometria finală ce va fi dezvoltată. Reflectorul are un diametru de 400 mm, cu o grosime de perete de 1.2mm și este prevăzut cu o serie de nervuri de rigidizare. Pornind de la această geometrie și de la specificațiile materialului ales pentru realizarea reflectorului (titan - Ti6Al4V), a fost definită și elaborată o tehnologie de fabricație cu totul și cu totul specială. Până în prezent a fost fabricat un prim prototip a cărui finisare s-a realizat prin frezare, prezentat în figurile de mai jos.

Unul din obiectivele principale ale proiectului este acela de a aduce reflectorul de antenă la un grad de maturitate echivalent cu TRL5 (Funcții critice verificate în mediu relevant la nivel de componentă sau prototip). În acest sens, reflectorul a fost supus testelor de vibrații specifice fazei de lansare (s-a avut în vedere o lansare cu lansatorul Soyuz) și urmează a fi testat în condiții similare spațiului cosmic (vid și temperaturi extreme). Aceste teste se vor realiza în facilitatea dezvoltată special de către INOE 2000, fiind printre primele din România efectuate în condiții de vid (nivel vid 5*10-6
mbar) și cicluri termice cu un gradient de temperatură mare, de la -180⁰C, până la +180⁰C. Scopul acestor teste este de a verifica/valida abilitatea reflectorului propus de a-și menține forma geometrică a suprafeței reflective cât mai apropiată de cea teoretică (abateri de formă cât mai mici).
Întregul proiect are în vedere specificațiile și cerințele misiunii PLATO, iar prin implementarea lui se urmărește parcurgerea unor pași importanți pentru echiparea acestei misiuni cu un reflector metalic, și, de ce nu, cu o întreagă antenă, dezvoltată și realizată în România. Misiunea PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), planificată să fie lansată în anul 2026, are ca obiectiv descoperirea și caracterizarea planetelor extrasolare din jurul unor stele asemănătoare Soarelui nostru, în vederea analizării modului de formare și apariție a vieții pe acestea, precum și a potențialului lor locuibil.

Sistem de control a atitudinii navelor spațiale
Sateliții, precum și instrumentele științifice care operează în cadrul misiunilor spațiale necesită sisteme de control a atitudinii. Posibilitatea de a controla atitudinea este un element critic în cadrul unei misiuni, iar în general aceste manevre se realizează cu thrustere sau roți de reacție. Unul din aspectele cele mai importante ce caracterizează aceste echipamente și în general tot ce se dezvoltă pentru industria spațială este fiabilitatea ridicată. Strict referitor la o roată de reacție, aceasta trebuie să funcționeze pe parcursul întregii misiuni spațiale, care poate dura de la câteva luni la câțiva ani, în funcție de scopul acesteia.
COMOTI este partener în cadrul proiectului cu numărul 188, „Roată de reacție pentru controlul navei spațiale”, ce este coordonat de ICPE, din consorțiu făcând parte și Institutul de Științe Spațiale – Filială INFLPR.
A reuși să ajungi un furnizor de componente și echipamente critice pentru industria spațială, așa cum sunt roțile de reacție, este în mare măsură un statut dependent de maturitatea tehnologiei și experiența anterioară a companiei sau a consorțiului. Aceste criterii limitează capacitatea companiilor din noile state membre de a deveni furnizori ESA, chiar dacă există expertiză dovedită prin dezvoltarea de produse cu fiabilitate ridicată pentru alte sectoare, situație ce împiedică și competivitatea pe piață. Proiectul abordează aceste aspecte prin efectuarea de cercetări în vederea dezvoltării unei roți de reacție bazată pe un motor electric personalizat, ce va fi fabricat de ICPE, și pe o parte mecanică, ce va fi proiectată și realizată de COMOTI.
Consorțiul a identificat aceste produse ca o potențială nișă pentru dezvoltarea tehnologică, deoarece există un deficit evident de furnizori europeni pentru un astfel de produs critic, iar în proiectul actual se are în vedere creșterea gradului de maturitate până la cel puțin TRL 4.

Rezultate actuale
COMOTI este responsabil în cadrul proiectului cu proiectarea, calculul și realizarea componentelor mecanice ale roții de reacție, precum și cu o serie de teste. Proiectarea subansamblului mecanic a avut la bază mai multe cerințe tehnice și operaționale ale roții de reacție, precum: greutate mai mică de 1.5 kg, volum 100 x 100 x 90 mm3, cuplu de reacție ≥ 50 mNm, moment unghiular 1.5 Nms, fiabilitate și durată de viață mai mare de 7 ani.
Modelul 3D al roții de reacție a fost verificat și optimizat printr-o serie de analize FEM, având în vedere cerințele tehnice ce fac referire la vibrațiile și șocurile la care trebuie să reziste roata de reacție.
Pe baza proiectului tehnic pentru roata de reacție (modele 3D, desene de execuție, specificații și cerințe) și utilizând infrastructura de mare calitate și versatilitate a COMOTI, precum și vasta experiența a inginerilor tehnologi, s-au realizat componentele mecanice. De asemenea, rotorul a fost supus la o serie de teste preliminare: determinare dezechilibru (după fabricare, după integrarea magneților și după testele de vibrații) și teste de vibrații utilizând masa de vibrații din dotarea COMOTI.
Rezultatele actuale ale proiectului sunt conforme cu obiectivele acestuia, iar în faza următoare urmează ca roata de reacție să fie asamblată (partea mecanică și partea electrică), să se realizeze o echilibrare în ansamblu, având în vedere că acest echipament se încadrează în categoria giroscoapelor, și să se realizeze teste de calificare și acceptanță specifice domeniului spațial.

Tehnologii inovatoare privind realizarea componentelor unei turbopompe
3dRotor - 3d printing technology evaluation for turbopump rotor manufacturing, („Evaluarea tehnologiei de printare 3d pentru realizarea rotorilor de turbopompă“), contract numărul 138/2017, finanțat în cadrul competiției C3 – STAR, este un proiect dedicat studiului tehnologiei avansate de printare 3d în vederea utilizării ei pentru realizarea de rotori de turbomopompă pentru viitoarele lansatoare europene cu combustibil lichid. Obiectivele principale constau în: evaluarea materialelor disponibile pentru printare 3d și testarea la temperatura mediului ambiant, dar și la temperaturi înalte (peste 600 grade Celsius); evaluarea toleranțelor de fabricație relativ la cerințele uzuale pentru mașini paletate; optimizarea procesului de printare 3d din punctul de vedere al timpului de prelucrare, dar și al consumului de material (corelat cu masa finală a pieselor); evaluarea performanțelor tehnologice prin proiectarea unei trepte de turbină destinată unui motor rachetă cu combustibil lichid.

Poate cel mai important obiectiv al proiectului este chiar primul, deoarece în literatura de specialitate sunt foarte puține date concrete referitoare la performanțele obținute de materialele printate. Figura de mai jos prezintă o serie de epruvete printate pe diferite direcții pentru a proba caracteristicile de material indiferent de poziția în mașina de printat și/sau în piesa finală, și rezultatele obținute la teste de tracțiune la temperatura mediului ambiant.
Până în acest moment, rezultatele obținute sunt satisfăcătoare atât din punct de vedere al valorii absolute a parametrilor de material, cât și din punctul de vedere al dispersiei acestor valori.

Dezvoltare de sisteme de propulsie pentru sateliți de mici dimensiuni
Platformele satelitare de dimensiuni mici, în special cele din categoria CubeSat, sunt un instrument convenabil pentru demonstrarea tehnologiilor cu aplicabilitate în spațiu. Deși miniaturizarea oricărui sistem prezintă provocări majore, realizarea și validarea unui electrolizor capabil să furnizeze amestecuri de hidrogen și oxigen, necesare propulsiei și controlului atitudinii unui satelit, poate conduce la prelungirea resursei și, implicit, a misiunilor unei astfel de platforme. Proiectul ELySSA - Dezvoltare de sisteme de electroliza apei cu aplicații pentru sateliți de mici dimensiuni – Contract 175/2017, finanțat în cadrul competiției C3 - STAR, urmărește dezvoltarea tehnologiei de electroliză și demonstrarea capabilității acesteia, prin utilizarea hidrogenului și oxigenului produse în urma procesului, cu scopul de a fi inclusă în aplicații de propulsie spațială. O serie de cerințe principale de performanță, ca nivelul de tracțiune necesar manevrelor spațiale și un impuls specific, comparabil cu cel atins de sistemele de propulsie de dimensiuni mari, au constituit punctul de pornire în stabilirea dimensiunilor și arhitecturii sistemului de propulsie, ținta finală fiind sateliții de dimensiuni mici, în special cei care se încadrează în standardul CubeSat, cu dimensiuni standard de instalare de 10 cm x 10 cm x 10 cm și masa unitară de 1,33 kg.
Proiectul se concentrează pe dezvoltarea unui sistem cu membrană cu schimb de protoni, capabil să producă, pe durata unei orbite, cantitățile de hidrogen și oxigen necesare, în timp ce, prin estimare teoretică și numerică a performanțelor și printr-o serie de teste, stabilește seturi de parametri operaționali adecvați anumitor scenarii de manevre și acțiuni de control al atitudinii.