InSpace Engineering din România miniaturizează un laborator pentru orbită.
Echipamentele destinate spațiului cosmic necesită un grad extrem de miniaturizare
Inginerii trebuie să reducă dimensiunile, masa și complexitatea inutilă a echipamentelor destinate spațiului cosmic.
În același timp, e nevoie să păstreze funcționalitatea sistemului original, de regulă mai mare.
În cazul cercetării în microgravitație, o astfel de comprimare e dificilă.
Motivul? Un experiment trebuie să furnizeze date științifice utile după lansare, instalare, activare și operare pe orbită.
InSpace Engineering
Dezvoltatorul român de echipamente pentru spațiul cosmic, InSpace Engineering, cunoscut și sub denumirea RISE, a apărut la București în 2017.
RISE dezvoltă echipamente pentru aplicații spațiale.
De asemenea, sprijină proiecte prin competențe în mai multe domenii, inclusiv dezvoltare mecanică, electrică și software full-stack.
DropCoal
Proiectul său, DropCoal, a transformat un experiment de laborator într-o încărcătură utilă compactă, concepută să funcționeze la bordul Stației Spațiale Internaționale (ISS).
Experimentul, finanțat de Agenția Spațială Europeană (ESA), studiază comportamentul picăturilor în condiții de microgravitație.
Mai exact, ajută cercetătorii să înțeleagă mai bine mișcarea fluidelor atunci când gravitația nu mai este factorul dominant în modul în care lichidele se ciocnesc, ricoșează, se unesc și se amestecă.
Încărcătura utilă DropCoal a fost instalată pe platforma ICE (International Commercial Experiment) Cubes Facility, o platformă de cercetare de tip „plug-and-play”, aflată în laboratorul Columbus al Agenției Spațiale Europene, la bordul ISS.
Un laborator redus la patru litri
Provocarea inginerească s-a dovedit mai complexă decât simpla construire a unei cutii de dimensiuni reduse.
A fost necesară comprimarea funcționalității unui experiment de laborator într-un echipament calificat pentru utilizare în spațiu, capabil să:
- deplaseze picături,
- controleze interacțiunile dintre picături,
- înregistreze imagini ale rezultatelor,
- permită analiza ulterioară experimentului.
„Inginerii RISE reproiectează experimentele realizate la scară de laborator sub forma unor încărcături utile compacte, care pot funcționa la bordul Stației Spațiale Internaționale.”
Mugurel Bălan, cofondatorul RISE
Reducerea unui experiment de laborator la o încărcătură utilă compactă, de numai patru litri, a generat provocări semnificative din punct de vedere mecanic, termic și al integrării componentelor.
Sistemul necesita:
- pompe,
- motoare pentru controlul deplasării picăturilor,
- sisteme optice,
- o cameră video de mare viteză,
- software instalat la bord pentru analiza imaginilor în timp real.
Experimentul trebuia să surprindă inclusiv comportamentul fluidului la o viteză de 8.000 de cadre pe secundă.
Acest lucru a transformat configurația optică și organizarea componentelor în elemente esențiale ale arhitecturii încărcăturii utile.
Mugurel Bălan a descris RISE drept „integrator de sisteme de dimensiuni foarte mici”, o expresie care se potrivește excelent activității lor.
Totuși, dimensiunile reduse nu au însemnat automat simplitate.
Echipa a fost nevoită să integreze, într-o carcasă extrem de compactă, cerințe științifice, mecanice, optice, termice, electronice și software.
Totodată, a trebuit să proiecteze lentile telecentrice dedicate, adaptate cerințelor sistemului optic.
Proiectarea în condiții de spațiu extrem de limitat
RISE a folosit SOLIDWORKS® Design pentru a transforma cerințele științifice ale experimentului într-un echipament compact și ușor de fabricat.
Activitatea practică s-a concentrat pe integrare.
Discutăm despre introducerea componentelor mecanice, electrice și experimentale într-o încărcătură utilă de numai 4 litri, cu un spațiu extrem de limitat.
În paralel, designul a fost optimizat pentru lansare, instalare și operare.
Cea mai dificilă problemă a fost comportamentul termic
Încărcătura utilă nu funcționa ca un sistem simplu, aflat în regim staționar.
Caracteristicile sale se modificau pe măsură ce diferite componente, inclusiv sursa de lumină, camera video și microcontrolerul, erau pornite.
Succesiunea era importantă. Fiecare etapă contribuia la creșterea temperaturii totale din camera de reacție.
SOLIDWORKS Simulation
Pe parcursul procesului iterativ de proiectare, echipa a folosit în mod constant instrumentele SOLIDWORKS Simulation.
Mugurel Bălan a descris fluxul de lucru prin expresia „proiectare – simulare; proiectare – simulare”.
Compania a utilizat parametri de convecție, cunoscuți pentru evaluarea comportamentului termic din interiorul încărcăturii utile.
Fiecare ciclu de simulare i-a ajutat pe ingineri să:
- verifice modul în care sistemul compact urma să se comporte pe măsură ce componentele erau activate succesiv,
- ajusteze designul înainte de lansare.
Potrivirea dintre comportamentul pe orbită și așteptările de proiectare
Cel mai important rezultat a fost concordanța dintre comportamentul anticipat, determinat cu ajutorul instrumentelor de simulare SOLIDWORKS Design, și funcționarea reală a sistemului.
„Rezultatele obținute la bordul stației au fost foarte asemănătoare cu ceea ce am simulat.”
Mugurel Balan, cofondator RISE
Concordanța a demonstrat că activitatea de proiectare și simulare a echipei a contribuit la anticiparea comportamentului real al încărcăturii utile compacte în timpul operării pe orbită.
De asemenea, DropCoal a demonstrat că o echipă industrială din România, formată dintr-o companie cu doar 50 de angajați, poate dezvolta un sistem spațial complet, destinat cercetării, la bordul Stației Spațiale Internaționale.
ICE Cubes Facility
Astronautul NASA, Don Pettit, a instalat experimentul DropCoal în cadrul ICE Cubes Facility, aflat în interiorul modulului Columbus al ISS.
Cercetarea ar putea ajuta oamenii de știință să înțeleagă mai bine comportamentul picăturilor în condiții de microgravitație, cu posibile aplicații în domenii precum:
- formularea medicamentelor,
- administrarea fluidelor,
- modelarea proceselor de combustie.
Rolul SOLIDWORKS Design
Inginerii au folosit SOLIDWORKS Design pentru a transforma experimentul științific într-un echipament compact, care putea fi integrat, evaluat, lansat, instalat și operat.
Pentru RISE, valoarea inginerească ce poate fi replicată constă în utilizarea proiectării și simulării pentru reducerea incertitudinilor, înainte ca echipamentul să ajungă într-un mediu în care reproiectarea nu mai este o opțiune practică.
Sisteme compacte, consecințe importante
DropCoal este o încărcătură utilă, de dimensiuni reduse.
Totuși, oferă o lecție importantă pentru ingineria spațială.
Calitatea integrării este esențială pe orbită, deoarece fiecare decizie luată la nivel intern poate influența:
- comportamentul termic,
- calitatea imaginilor,
- integrarea mecanică sau fiabilitatea experimentului.
Mugurel Bălan a subliniat că valoarea SOLIDWORKS Design constă în capacitatea sa de a repeta rapid procesul iterativ MODSIM ,pentru a înțelege comportamentul sistemului.
Pentru echipele care dezvoltă echipamente spațiale, lecția e evidentă
Viitorul cercetării pe orbită nu va depinde doar de idei îndrăznețe, ci și de capacitatea de a transforma, valida și implementa ideile în limite fizice extrem de restrictive.
Vizionați mai jos videoclipul studiului de caz SOLIDWORKS și RISE.
Studiul de caz complet poate fi citit aici.
Dacă vă sunt utile articolele noastre, nu ezitați să vă abonați la newsletter.