Sierra Nevada Corporation (SNC), USA
Di Jake Rosenthal, Eastern Regional Manager, Dewesoft USA

Lo Spaceplane Dream Chaser® è un velivolo spaziale riutilizzabile sviluppato dalla Sierra Nevada Corporation (SNC). I velivoli spaziali che entrano nell'atmosfera terrestre richiedono l'uso di un Sistema di Protezione Termica (TPS) per proteggerli dal riscaldamento aerodinamico e dal calore del sole.

Le piastrelle TPS sono uno dei principali componenti hardware utilizzati sul Dream Chaser e coprono quasi l'intero velivolo. Per incollare queste piastrelle alla struttura, il personale aveva bisogno di misurare e visualizzare una moltitudine di parametri. La soluzione Dewesoft ha automatizzato i calcoli e migliorato il controllo della qualità, rimanendo veloce e facile da usare.

Dream Chaser space plane from Sierra Nevada Corporation Spaceplane Dream Chaser di Sierra Nevada Corporation

Introduzione

Il gruppo Thermal Protection Systems o TPS è il team di ingegneri che è il principale responsabile delle "Heat Tiles" e dei tessuti che circondano l'esterno della navicella Dream Chaser. Gli ingegneri utilizzano una tecnologia simile a quella utilizzata per proteggere le navette spaziali durante il volo.

Si tratta di un complesso sistema di protezione composto da piastrelle a base di fibra di vetro e coperte termiche perfettamente adattate per proteggere il veicolo spaziale al rientro nell'atmosfera terrestre.

Il Progetto Spacecraft - Spaceplane Dream Chaser

Lo Spaceplane Dream Chaser di SNC è un velivolo spaziale multi-missione progettato per trasportare equipaggio e merci verso destinazioni in orbita terrestre bassa (LEO) come la Stazione Spaziale Internazionale.

Il Dream Chaser è stato selezionato dalla NASA per fornire il servizio di consegna, restituzione e smaltimento del carico per la Stazione Spaziale in base al contratto CRS-2 (Commercial Resupply Service 2). Dream Chaser fornirà un minimo di sei missioni cargo da e verso la Stazione Spaziale trasportando rifornimenti critici come cibo, acqua ed esperimenti scientifici per poi rientrare sulla Terra con un atterraggio delicato sulla pista. Dream Chaser può rilasciare delicatamente carichi critici a meno di 1,5 g.

Un-crewed Dream Chaser with Transport Vehicle and visible cargoFigura 1. Dream Chaser di SNC senza equipaggio con veicolo da trasporto e carico visibile.

Il veicolo è progettato per un'elevata riutilizzabilità, riducendo i costi complessivi per una rapida inversione di tendenza tra le missioni. La possibilità di agganciarsi su più veicoli di lancio e atterrare su una varietà di piste approvate rende Dream Chaser un'opzione flessibile per un trasporto affidabile.

Il Dream Chaser è stato originariamente progettato come un aereo spaziale con equipaggio, nell'ambito del Commercial Crew Program della NASA, in grado di trasportare fino a cinque astronauti da e verso la Stazione Spaziale e altre destinazioni LEO.
Dream Chaser è lungo di 9 metri che è circa ¼ della lunghezza totale degli space shuttle orbitanti e può trasportare lo stesso equipaggio delle navette.

La versione con equipaggio del Dream Chaser è, per circa l'85%, simile al sistema di carico e dispone di sistemi di controllo ambientale e di supporto vitale, finestre per la visibilità dell'equipaggio, un sistema di propulsione principale integrato per la capacità di interruzione e importanti manovre orbitali.

Il Sistema di Protezione Termica (TPS)

Un TPS è progettato per proteggere il velivolo spaziale dal riscaldamento aerotermico quando rientra nell'atmosfera terrestre, temperature che possono raggiungere i 1.650 ° C (3.000 ° F). Nel caso degli aerei spaziali, il TPS garantisce un ingresso, una discesa e un atterraggio in pista in sicurezza.

Il TPS include un rivestimento realizzato con vari materiali resistenti al calore: nei casi sia dello Space Shuttle Orbiter che del Dream Chaser questo rivestimento è costituito da piastrelle.

Thermal protection tiles (TPS)Il Sistema di Protezione Termica (TPS)

Il Dream Chaser è circa 1/4 delle dimensioni dello space shuttle orbiter e necessita solo di 2.000 tessere TPS rispetto alle 24.000 tessere utilizzate sulla navetta spaziale. Sono necessarie meno piastrelle sia perchè l'imbarcazione è più piccola sia perchè le piastrelle hanno dimensioni maggiori. Le piastrelle Dream Chaser misurano circa 10 x 10 pollici, mentre le piastrelle usate sulla navetta erano circa 6 x 6 pollici.

Gli ingegneri TPS di SNC utilizzano un silicone vulcanizzante a temperatura ambiente (RTV), in grado di resistere alle alte temperature, per mantenere le piastrelle incollate al veicolo in ogni momento. Le piastrelle incollate sono tutte testate tramite un meccanismo di trazione, per evitare problemi di caduta delle piastrelle.

La Sfida – Qualità e Velocità

L'ingegnere capo TPS di SNC cercava inizialmente un sistema di acquisizione dati economico per misurare cinque sensori di forza per poter testare l'adattamento di una piastrella di protezione termica alla struttura del veicolo spaziale Dream Chaser.

Tutti e cinque i sensori devono essere misurati simultaneamente in produzione per assicurarsi che le piastrelle protettive siano realizzate correttamente a causa del loro design unico per proteggere il veicolo spaziale.

Il desiderio finale era quello di premere a mano la piastrella sulla struttura e misurare il carico mediante il sistema DAQ. Il sistema avrebbe dovuto fornire una luce verde per indicare al tecnico che la piastrella era realizzata correttamente e che era pronta per essere fissata alla struttura. Per consentire che ciò avvenisse sul piano di produzione, il sistema doveva essere modulare e mobile.

Bonding the Thermal Protection System tiles to the Dream Chaser structureFigura 2. Fissaggio delle piastrelle del sistema di protezione termica alla struttura Dream Chaser.

La sfida iniziale si basava sul prezzo del sistema di acquisizione dati Dewesoft rispetto al sistema DAQ base che il cliente aveva utilizzato nei precedenti progetti. Infatti, fino ad allora avevano utilizzato un semplice sistema DAQ in grado di misurare i carichi e visualizzarli. Tutto ciò era tracciato a mano per verificare il rispetto di alcuni parametri di tolleranza e anche tutti i calcoli venivano eseguiti a mano al fine di determinare se tutti carichi rientravano nella tolleranza richiesta.

Un'ulteriore sfida era far si che più sistemi identici fossero facilmente utilizzabili per tecnici che non erano abituati ad utilizzare apparecchiature di prova. 

Dopo aver indagato con il cliente sull'intero processo di fissaggio di queste piastrelle alla struttura, siamo stati in grado di apprendere ulteriori punti in cui Dewesoft sarebbe potuta essere d'aiuto. Punti che avrebbero aiutato ad accelerare il processo e che avrebbero consentito ulteriori fasi di controllo della qualità utilizzando lo stesso identico sistema.

La Soluzione di Misura

Dopo aver esaminato il processo di produzione, sono state definite diverse aree chiave in cui Dewesoft poteva aiutare il gruppo TPS a migliorare grazie all'utilizzo dei moduli KRYPTON DAQ con amplificatori estensimetrici (STG) e amplificatori a  termocoppia (TH) collegati a un computer di SNC.

KRYPTON EtherCAT data acquisition modulesModuli di acquisizione dati KRYPTON EtherCAT 

KRYPTON è una famiglia di sistemi di acquisizione dati EtherCAT robusti e distribuiti per la misura sul campo in ambienti estremi e difficili. Offrono un grado di protezione IP67 e possono funzionare a temperature estreme da -40 a + 85°C e offrono un'elevata protezione dagli urti. Le unità Krypton possono essere distribuite su una vasta area con distanze fino a 100 metri tra i nodi DAQ.


Video di presentazione del sistema DAQ KRYPTON

La versione KRYPTON STG è in grado di gestire segnali di tensione differenziale universale e ponte intero/mezzo/quarto ed è disponibile in configurazioni a 1, 3 e 6 canali compatibili con adattatori DSI.

KRYPTON-6xSTG DAQ module - differential voltage and Full-bridge, half-bridge, and quarter-bridge signal conditionerModulo KRYPTON-6xSTG DAQ - condizionatore di segnale di tensione differenziale e ponte intero, mezzo ponte, un quarto di ponte

Il software di acquisizione dati, registrazione dati ed analisi dati Dewesoft X è incluso in tutti i sistemi di acquisizione dati Dewesoft.

Test di verifica pre-adattamento

Questo test è stato il punto di partenza che ha suscitato il nostro interesse per l'applicazione. Cinque sensori di forza estremamente sottili vengono applicati sul retro della piastrella termica. Uno ad ogni angolo e uno al centro della piastrella. La piastrella viene, quindi, posizionata contro la struttura per leggere i 5 carichi generati.

I carichi vengono misurati all'interno del software Dewesoft X che dispone di un canale matematico per comparare e verificare se tutte le cinque pressioni misurate rientrato in una certa percentuale fornita, l'una rispetto l'altra, confermando un adattamento uniforme della piastrella.

Utilizzando la funzione registrazione all'interno del software Dewesoft X, il tecnico può inserire come informazioni di intestazione il numero di serie della piastrella e la posizione sulla struttura. Quando il test viene eseguito, insieme a ciascuna lettura della cella di carico, viene visualizzato un semplice indicatore di pass-fail verde o rosso. Infine, viene generato un report automatico dei dati per il controllo di qualità per documentare che il test è stato completato.

Verifica della Strumentazione

In alcune aree critiche i sensori di pressione e temperatura esterni sono integrati nelle piastrelle. Questi sensori hanno lo scopo di aiutare gli ingegneri e gli operatori di volo a vedere cosa sta succedendo all'esterno del veicolo spaziale nei momenti critici del volo.

Poiché l'hardware DAQ Dewesoft ha degli ingressi universali altamente flessibili, questi sensori possono essere controllati al 100% sia prima che dopo l'installazione del riquadro, per confermare la funzionalità e l'accuratezza delle letture.

The TPC tiles are attached to the structure using RTV and other adhesivesFigura 3. Le piastrelle TPC vengono fissate alla struttura utilizzando RTV e altri adesivi.

Monitoraggio del processo di confezionamento sottovuoto

Una volta confermato che la piastrella si adatta correttamente e che la strumentazione è pronta, la piastrellapuò per essere montata in modo permanente sulla struttura. Le piastrelle vengono fissate a mano alla struttura utilizzando RTV insieme ad diversi adesivi e molti altri strumenti vengono utilizzati per confermarne la corretta posizione. Per garantire il legame della piastrella alla struttura, la piastrella viene posta sottovuoto assicurandosi che aderisca perfettamente alla struttura.

La matematica avanzata è incorporata nel software DAQ Dewesoft X, incluso il Sequencer Dewesoft che consente il controllo e l'automazione del flusso dei test all'interno del software senza richiedere abilità di programmazione.

Il Sequencer Dewesoft è un potente strumento in grado di creare sequenze, elenchi ordinati di comandi procedurali, che il software Dewesoft eseguirà uno dopo l'altro. È possibile combinare più sequenze per automatizzare completamente le procedure di test, utilizzare criteri di superamento/fallimento della prova e generare automaticamente report.

Dewesoft X sequencer - sequence designer user interfaceInterfaccia utente del Sequencer in DewesoftX

In questo caso specifico, il Sequencer Dewesoft è stato utilizzato per inviare un segnale al controller della pompa del vuoto e per fornire un feedback di controllo della pressione mediante un sensore di pressione, regolando il vuoto in modo accurato. Monitora e allerta se i valori di pressione predefiniti non vengono soddisfatti e infine crea un report dell'intero processo di vuoto per il controllo di qualità.

Load cell attached to a vacuum chuckFigura 4. Con la cella di carico collegata a un mandrino a vuoto, viene eseguito un test di verifica dell'adesione della piastrella alla struttura.

Verifica Legame

Dopo aver correttamente montato le piastrelle sulla struttura del veicolo spaziale, viene eseguito un Test di Verifica del Legame come verifica finale dell'adesione della piastrella alla struttura.

Viene misurata una cella di carico collegata a un mandrino a vuoto posizionato nell'area di test. Tramite i campi di input nel software Dewesoft X, gli operatori possono inserire variabili chiave per la superficie della piastrella e le posizioni sulla struttura. Questi input vengono inseriti in un calcolo matematico per determinare il carico corretto per testare la forza del legame tra piastrella e superficie.

Nella prima fase di questo test di verifica del legame, la piastrella verrà estratta a mano: le misure e gli allarmi in Dewesoft X assicureranno che il test venga eseguito correttamente. La seconda fase di questo test consiste nell'utilizzare un attuatore controllato da un circuito Dewesoft PID (Proporzionale, Integrale e Derivativo) - una forma di calcolo matematico a circuito chiuso - per automatizzare il controllo del carico contro cui viene tirata la piastrella.

Conclusioni

Dewesoft è stata in grado di fornire 8 sistemi KRYPTON DAQ da utilizzare sui carrelli di produzione. SNC continua a scrivere ed integrare nuove sequenze per migliorare l'automazione e il controllo del processo di ogni fase della produzione.

Il team Dewesoft ha aiutato a identificare applicazioni aggiuntive che migliorano il processo di produzione di Dream Chaser e ha mostrato come lo stesso hardware potrebbe essere usato per migliorare ancora più processi. La facilità con cui Dewesoft Sequencer esegue l'automazione alla fine ha funzionato.

Fonti