Sistem toplotne zaščite vesoljskega letala (TPS) in nadzor pritrjevanja

Uvod

Skupina Thermal Protection Systems ali TPS je inženirska ekipa, ki je v prvi vrsti odgovorna za "Heat Tiles" in tkanine, 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

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 30 čevljev ali devet metrov, kar je približno ¼ skupne dolžine orbiterjev space shuttle in lahko prevaža enako število posadke kot shuttle.

Različica Dream Chaser s posadko je približno 85 % podobna tovornemu sistemu in vključuje nadzor okolja in sisteme za vzdrževanje življenja, okna za vidljivost posadke, integriran glavni pogonski sistem za prekinitev in večje orbitalne manevre. 

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.

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 Hhuttle. Potrebno je manj ploščic, saj je plovilo manjše, a so ploščice večje. Ploščice Dream Chaser so velike približno 24 x 24 cm, medtem ko so bile ploščice, uporabljene na shuttleu, približno 15 x 15 cm.

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. Sistem bi moral tehniku zagotoviti zeleno luč, da je ploščica pravilno oblikovana in pripravljena za pritrditev na strukturo. Da bi to omogočili v proizvodnem prostoru in zagnali prenosni računalnik, je moral biti sistem modularen in premičen.

Začetni izziv je temeljil na naši ceni v primerjavi z osnovnim sistemom DAQ, ki ga je stranka uporabljala pri prejšnjih projektih. Doslej so uporabljali preprost sistem zajema podatkov (DAQ), ki je lahko meril in prikazoval obremenitve. Vse se je ročno spremljalo, da je bilo v željeni toleranci, prav tako so bili opravljeni ročni izračuni, da bi ugotovili, da so vse obremenitve druga proti drugi znotraj zahtevane tolerance.

Dodaten izziv je bila potreba po več enakih sistemih za enostavno delovanje za tehnike, ki niso bili vajeni uporabljati testne opreme.

Po preiskavi celotnega postopka pritrjevanja ploščic na konstrukcijo smo s stranko odkrili dodatne točke, kjer bi bili Dewesoftovi sistemi lahko v pomoč. Gre za točke, ki bi pomagale pospešiti proces in omogočile dodatne vire za nadzor kakovosti z uporabo popolnoma istega sistema

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.

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.

Preskušanje za preverjanje prileganja

To testiranje je bila prvotna zahteva, ki je kasneje sprožila naše zanimanje za aplikacijo. Tukaj je nameščenih pet izjemno tankih senzorjev sile na hrbtni strani termo ploščice. Ena na vsakem vogalu in ena na sredini ploščice. Ploščica se nato položi ob strukturo, da odčita 5 ustvarjenih obremenitev.

Obremenitve se merijo v programski opremi DewesoftX, ki ima primerjalni matematični kanal, da se ugotovi, ali je vseh pet pritiskov znotraj določenega odstotka drug od drugega, kar potrjuje enakomerno prileganje ploščice.

Z uporabo funkcije snemanja programske opreme DewesoftX lahko tehnik sedaj vnese serijsko številko ploščice in lokacijo na strukturi. Ko se preskus izvede, se prikaže preprost zeleni ali rdeč indikator, ki signalizira (ne)uspešnost skupaj z vsakim odčitkom merilne celice. Na koncu se iz podatkov za nadzor kakovosti ustvari avtomatizirano poročilo, ki dokumentira, da je bil test opravljen.

Preverjanje instrumentov

Na določenih kritičnih območjih vzdolž vesoljskega plovila, so v ploščice vgrajeni senzorji zunanjega tlaka in temperature. Ti senzorji naj bi pomagali inženirjem in letalskim operaterjem videti, kaj se dogaja na zunanjosti vesoljskega plovila v kritičnih časih leta.

Ker je strojna oprema Dewesoft DAQ prilagodljiva na vhode, je te senzorje zdaj mogoče 100% preveriti pred in po namestitvi ploščice, da se potrdi funkcionalnost in točnost odčitkov.

Nadzor procesa vakuumskega 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 izboljsšanje avtomatizacije in nadzora procesa vsakega koraka v konstrukciji.

Pomagali smo 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.

Viri

• Dream Chaser Spaceplane. SNC spletna stran

• TPS Tiles Bonded to Dream Chaser® Spaceplane, SNC blog novice, June 24, 2020.

• Kanayama, Lee: Dream Chaser receives thermal protection system, NASASpaceFlight.com, June 26, 2020.