Sistem toplotne zaščite vesoljskega letala Dream Chaser

18.01.2022

Dewesoft

Vesoljsko letalo Dream Chaser® je vesoljsko letalo za večkratno uporabo, ki ga razvija Sierra Nevada Corporation (SNC). Vesoljska vozila, ki vstopijo v Zemljino atmosfero, zahtevajo uporabo toplotnega zaščitnega sistema (TPS), ki jih ščiti pred aerodinamičnim segrevanjem in sončno toploto.

Dream chaser vesoljsko letalo — Slika 1. Vesoljsko letalo Dream Chaser

TPS ploščice so ena od glavnih komponent strojne opreme, ki se uporabljajo pri Dream Chaserju in pokrivajo skoraj celotno plovilo. Da bi te ploščice pritrdili na strukturo, je osebje potrebovalo meritve in prikazovanje številnih parametrov. Dewesofta rešitev je avtomatizirala izračune in izboljšala nadzor kakovosti, hkrati pa je hitra in enostavna za uporabo.

Skupina Thermal Protection Systems ali TPS je inženirska ekipa, ki je v prvi vrsti odgovorna za materiale, ki obdajajo zunanjost vesoljskega plovila Dream Chaser. Inženirji uporabljajo podobno tehnologijo, kot je bila uporabljena za zaščito vesoljskih raket med letenjem.

Gre za kompleksen zaščitni sistem ploščic na osnovi steklenih vlaken in toplotnih zaščitnih odej, ki so popolnoma opremljene za zaščito vesoljskega plovila ob ponovnem vstopu v zemeljsko atmosfero.

PROJEKT VESOLJSKEGA LETALA – DREAM CHASER

Slika 2.: Dream Chaser brez posadke SNC s transportnim vozilom in vidnim tovorom.

SNC-jevo vesoljsko letalo Dream Chaser je vesoljsko pomožno vozilo, ki opravlja več misij in je zasnovano za prevoz posadke in tovora na destinacije v nizki orbiti Zemlje (LEO), kot je Mednarodna vesoljska postaja.

NASA je Dream Chaser izbrala za zagotavljanje storitev dostave, vračanja in odstranjevanja tovora za vesoljsko postajo v skladu s pogodbo Commercial Resupply Service 2 (CRS-2). Dream Chaser bo zagotovil najmanj šest tovornih misij na vesoljsko postajo in iz nje. Prenašal bo kritične zaloge, kot so hrana, voda in znanstvene eksperimente, ter se vrnil na Zemljo z nežnim pristankom na vzletno-pristajalni stezi. Dream Chaser lahko nežno vrne kritičen tovor z manj kot 1,5 g.

Vozilo je zasnovano z visoko možnostjo ponovne uporabe, zmanjšanje skupnih stroškov in hiter preobrat med misijami. Zaradi sposobnosti izstrelitve na več nosilnih vozilih in pristajanja na različnih odobrenih vzletno-pristajalnih stezah je Dream Chaser prilagodljiva možnost za zanesljiv transport.

Dream Chaser je bil prvotno zasnovan kot vesoljsko letalo s posadko, deloma v okviru Nasinega programa Commercial Crew, ki je sposobno prevažati do pet astronavtov na in iz vesoljske postaje ter drugih destinacij LEO.

Dream Chaser je dolg devet metrov, kar je približno ¼ skupne dolžine orbiterjev space shuttle in lahko prevaža enako število posadke kot shuttle.

SISTEM TOPLOTNE ZAŠČITE (TPS)

TPS je zasnovan tako, da zaščiti vesoljsko plovilo pred aerotermalnim segrevanjem ob ponovnem vstopu v zemeljsko atmosfero–temperature, ki lahko dosežejo 1650 °C (3000 °F). V primeru vesoljskih letal, TPS zagotavlja varen vstop, spust in pristanek na vzletno-pristajalni stezi.

TPS vključuje premaz iz različnih toplotno odpornih materialov – tako v primeru Space Shuttle Orbiter kot Dream Chaserja je ta premaz sestavljen iz ploščic.

Slika 3.: Lepljenje ploščic sistema za toplotno zaščito na strukturo Dream Chaser.

Dream Chaser je približno 1/4 velikosti orbiterja space shuttle in potrebuje le 2.000 ploščic TPS v primerjavi s 24.000 ploščicami, uporabljenimi na Nasinih vozili Space Shuttle. Manj ploščic je potrebno saj je manjše plovilo, a so tudi ploščice večje. Ploščice Dream Chaser-ja so velike približno 24 x 24 cm, medtem ko so bile ploščice, uporabljene na shuttlu velike približno 15 x 15 cm.

Lepljenje TPC ploščic s pomočjo RTV in drugih lepil — Slika 4.: TPC ploščice so pritrjene na konstrukcijo s pomočjo RTV in drugih lepil.

Inženirji SNC TPS uporabljajo vulkanizacijski (RTV) silikon, pri sobni temperaturi, ki je odporen na visoke temperature, da ohranijo ploščice ves čas pritrjene na vozilo. Vse vezane ploščice so testirane z vlečnim mehanizmom, da se preprečijo težave pri padcu ploščic.

IZZIV: KAKOVOST IN HITROST

Glavni inženir TPS pri SNC je sprva iskal poceni sistem za pridobivanje podatkov, ki bi pomagal pri merjenju petih senzorjev sile za testiranje prileganja toplotno zaščitne ploščice na strukturo vesoljskega plovila Dream Chaser.

Vseh pet senzorjev je bilo potrebno meriti hkrati, v proizvodnem okolju, da se zagotovi popolno oblikovanje zaščitnih ploščic za njihovo edinstveno zasnovo, ki je zaščita vesoljskega plovila.

Končna želja je bila ročno pritisniti ploščico na strukturo, sistem DAQ pa bi izmeril obremenitev, da bi videli, da vsi kažejo enak pritisk znotraj določene tolerance.

MERILNA REŠITEV

Po pregledu postopka je bilo ugotovljeno, da obstaja več ključnih področij, na katerih bi lahko Dewesoft skupini TPS pomagal k izboljšavam in sicer z uporabo naših modulov KRYPTON z ojačevalniki merilnikov napetosti (STG) in ojačevalniki termoelementov (TH), povezanimi s prenosnikom SNC. KRYPTON je družina robustnih in porazdeljenih EtherCAT sistemov za zbiranje podatkov za terensko merjenje v ekstremnih in težkih okoljih. Ponujajo stopnjo zaščite IP67 in lahko delujejo v ekstremnem temperaturnem območju od -40 do +85°C ter nudijo visoko zaščito pred udarci. Enote Krypton se lahko razporedijo po velikem območju z razdaljami do 100 metrov med vozlišči DAQ.

Krypton-EtherCAT-moduli-za-zajem-podatkov — Slika 5.: Moduli za zajem podatkov KRYPTON EtherCAT

Slika 6.: KRYPTON-6xSTG DAQ modul; diferencialna napetost in polmostni, polovični in četrtmostni signalni kondicioner

Različica KRYPTON STG ima univerzalno diferenčno napetost in vhod za full/half/quarter bridge meritve in je na voljo v 1, 3 in 6 kanalnih konfiguracijah, združljivih z adapterji DSI.

Programska oprema za pridobivanje, snemanje in analizo podatkov DewesoftX je vključena v vse sisteme za pridobivanje podatkov Dewesoft.

NADZOR PROCESA VAKUMSKEGA PAKIRANJA

Ko je potrjeno, da se ploščica pravilno prilega, in so instrumenti preverjeni, je pripravljena za trajno pritrditev na konstrukcijo. Ploščice so ročno pritrjene na strukturo z uporabo RTV in drugih lepil. Za potrditev, da je ploščica locirana na pravem mestu pa se uporablja še več drugih instrumentov. Za utrjevanje vezave na strukturo ploščico postavimo v vakuum in poskrbimo, da je popolnoma pritrjena na strukturo.

Napredna matematika je vgrajena v programsko opremo DewesoftX, vključno z Dewesoft Sequencer, ki omogoča nadzor nad pretokom testov znotraj programske opreme, ne da bi pri tem potrebovali veščine programiranja.

Dewesoft Sequencer je zmogljivo orodje, ki lahko ustvari zaporedja, urejene sezname proceduralnih ukazov, ki jih bo programska oprema Dewesoft izvajala enega za drugim. Več zaporedij je mogoče kombinirati za popolno avtomatizacijo testnih postopkov, uporabo kriterijev uspešno/neuspešno in samodejno ustvarjanje poročil.

V tem primeru se Dewesoft Sequencer zdaj uporablja za pošiljanje signala krmilniku vakuumske črpalke in senzorju tlaka, ki zagotavlja povratno kontrolo, ki uravnava vakuum, da je natančen. Spremlja in alarmira, če niso izpolnjeni ustrezni tlaki in ustvari poročilo o celotnem vakuumskem procesu za kontrolo kakovosti.

PREVERJANJE VEZI

Ko so ploščice pravilno nameščene na strukturo vesoljskega plovila, se kot končni test, izvede test preverjanja vezi. Ta preveri oprijem ploščice na strukturo.

Izmeri se obremenitvena celica, ki je pritrjena na vakuumsko vpenjalno glavo, ki se ujema z zunanjim obrisom linije kalupa ploščice. S pomočjo polj za vnos uporabnika v programski opremi DewesoftX lahko operaterji vnesejo ključne spremenljivke za površino ploščice in lokacije na konstrukciji. Ti vhodi so vključeni v matematični izračun, da se določi ustrezna obremenitev za vlečenje ploščice, da se preizkusi moč njene vezi.

V prvi fazi tega testiranja preverjanja vezi bo ploščica vlečena ročno – meritve in alarmi v DewesoftX bodo poskrbeli, da bo test potekal pravilno. Druga faza tega testiranja je uporaba aktuatorja, ki ga nadzoruje Dewesoft PID (proporcionalna, integrirana in izpeljana) zanka – oblika matematičnega izračuna zaprte zanke – za avtomatizacijo nadzora obremenitve, proti kateri se ploščica vleče.

ZAKLJUČEK

Dewesoft je lahko dostavil 8 enakih sistemov KRYPTON DAQ za različne tehnike, ki so sisteme uporabljali na njihovih proizvodnih vozičkih, SNC pa še naprej povečuje svoja zaporedja za izboljšanje avtomatizacije in nadzora procesa vsakega koraka v konstrukciji.

Pomagali so identificirati dodatne aplikacije, ki izboljšujejo proces gradnje Dream Chaserja, in pokazali, kako lahko ena in ista strojna oprema izboljša več procesov. Globje raziskovanje od prvotne potrebe je omogočilo uporabo nadaljnjih zmogljivosti. Enostavnost Dewesoft Sequencerja za avtomatizacijo je na koncu naredila svoj trik.

Povzeto po: Jake Rosenthal, vodja vzhodne regije, Dewesoft USA
Izvirni članek: https://dewesoft.com/sl/case-studies/sistem-toplotne-zascite-in-nadzor-lepljenja