Kỹ sư Timken thiết kế vòng bi cho tàu thăm dò sao Hỏa thế hệ tiếp theo

Vào tháng 2 năm 2021, một tàu thám hiểm mới sẽ hạ cánh trên sao Hỏa với sứ mệnh tìm kiếm dấu hiệu của sự sống vi sinh vật cổ đại. Khi ngày đó đến, kỹ sư ứng dụng cao cấp của Timken, John Renaud có thể mạo hiểm với một máy bơm và  “Có !” Rốt cuộc, các vòng bi Timken cho phanh hãm hạ thấp con lăn xuống bề mặt là thiết kế của ông.

Nhưng Renaud cho biết việc thiết kế những vòng bi đó cách đây hai năm chỉ là công việc của một ngày. Sếp của anh ta, kỹ sư trưởng về hàng không vũ trụ John Lowry, nói rõ. “John là một chuyên gia về tàu vũ trụ,” anh nói. Thiết kế các vòng bi chính xác cho các ứng dụng như tàu lượn trên sao Hỏa là một phần công việc.

Chiếc tàu thám hiểm Curiosity đã sử dụng vòng bi Timken trong quá trình đi xuống hành tinh, cũng như hai chiếc tàu lượn trước nó, Spirit và Opportunity. Curiosity cũng có các ổ trục Timken ở trung tâm của hệ thống băng chuyền của nó, khi nó xoay để định vị các cốc lấy mẫu để thu thập và phân tích đá, đất và khí quyển. Ngoài ra, vòng bi Timken hai ¼ inch (6,35 mm) chạy máy bơm chân không nhỏ của nó, hỗ trợ thiết bị phân tích của người lái.

Giá trị của vòng bi ¼ inch
Khi bạn nghĩ về điều đó, Renaud có lý – tất cả việc kinh doanh máy bay thám hiểm sao Hỏa này không có gì quá ngạc nhiên. Bất kỳ cơ chế quay nào cũng cần có vòng bi, cho dù nó hoạt động trong không gian hay trên Trái đất. Timken đã chế tạo vòng bi trong gần 120 năm, vì vậy không có gì ngạc nhiên khi chúng ta có một vài chiếc trên sao Hỏa.

Điều có thể gây ngạc nhiên là bao nhiêu đang đi trên những vòng bi đó. Renaud nói: “Vòng bi không chỉ là một vòng bi. Ông nói: “Các biến thể rất nhỏ, mười phần nghìn inch (2,5 micron) có thể là sự khác biệt giữa bộ phận hoạt động hoặc không hoạt động.

Và thất bại không phải là một lựa chọn. Khi một bộ phận bị lỗi trong không gian, không có ai ở đó để sửa chữa nó, vì vậy toàn bộ nhiệm vụ có thể không thành công. Trong trường hợp của Curiosity, 2,5 tỷ đô la và tám năm lập kế hoạch và phát triển có thể đã dừng lại ngay sau khi hạ cánh trên Hành tinh Đỏ.

Thay vào đó, nó lướt nhẹ nhàng xuống đồng bằng Aeolis Palus vào ngày 6 tháng 8 năm 2012, và di chuyển xung quanh, gửi lại hình ảnh và phân tích trong sáu năm qua — vượt xa tuổi thọ dự kiến ​​23 tháng — và làm nên lịch sử với những khám phá của nó.

Thử thách ứng dụng không gian
Là một kỹ sư ứng dụng, Renaud giải quyết rất nhiều vấn đề. Các dự án quốc phòng, vệ tinh, cảm biến và con quay du thuyền đều vượt qua bàn làm việc của ông. Thông thường, anh ta chỉ nhìn thấy các yếu tố môi trường và điều kiện tải — các lực bên ngoài mà ổ trục cần phải chống lại. Ông nói: “Chúng tôi nhận được từ viết tắt hoặc tên chương trình, nhưng đôi khi các dự án được phân loại. “Nó đi vào cái gì? Chúng tôi không thể nói với bạn ”.

Khi nói đến các ứng dụng không gian, một số yếu tố có thể không quá quan trọng trong các dự án Earthbound. Trước hết, Renaud nói, bạn phải tính đến nhiệt độ cực cao, độ rung và khả năng tăng tốc của các điều kiện phóng.

Thông thường, các kỹ sư của Timken chạy các điều kiện tải do khách hàng cung cấp thông qua Syber, phần mềm mô hình độc quyền của Timken, “mô phỏng cách ổ trục sẽ phản ứng với đầu vào tải và xem xét ứng suất tiếp xúc và độ lệch trục để xác định xem có vấn đề gì không”, ông nói.

Vòng bi trong các ứng dụng không gian thường hoạt động trong môi trường chân không, có xu hướng làm khô mọi thứ. Để giải quyết vấn đề đó, vòng bi Curiosity được thiết kế với dung dịch bôi trơn hỗn hợp dầu mỡ đặc biệt. Khí thoát ra ngoài cũng có thể là một mối quan tâm trong không gian. Lowry nói: “Nếu chúng tôi đang làm việc với một vật liệu không ổn định, nó có thể làm ô nhiễm tất cả các thành phần bên trong vệ tinh, bao gồm cả các thiết bị.

Vòng bi trong không gian cũng phải cực kỳ chính xác, đặc biệt là khi bạn đang chỉ và tập trung vào thứ gì đó từ quỹ đạo. Nếu ổ trục không hoạt động trơn tru, nó có thể ảnh hưởng đến khả năng định vị chính xác của vệ tinh và có thể truyền rung động đến phần còn lại của vệ tinh. Điều đó có nghĩa là nó không thể có được một hình ảnh rõ ràng, đối với những người mới bắt đầu.

Lowry nói: “Nếu bạn đã từng cố gắng phóng máy ảnh của mình lên sân khấu tại một buổi hòa nhạc, bạn sẽ biết rằng không thể nào giữ yên tay mình để có được một bức ảnh rõ nét ở khoảng cách đó. “Hãy tưởng tượng điều đó từ một khoảng cách ngoài không gian. Việc truyền rung động khi bạn đang cố gắng hướng một vệ tinh hoặc lấy nét một thiết bị để thu thập dữ liệu là rất quan trọng. Các yêu cầu có thể cực kỳ thách thức từ góc độ đó. ”

Một nền văn hóa coi trọng sự cộng tác
Renaud đã gắn bó với Timken được 11 năm, bắt đầu với tư cách là một kỹ sư sản phẩm sau khi anh tốt nghiệp Đại học UMass Lowell với bằng kỹ sư cơ khí. Lowry sắp kỷ niệm 20 năm thành lập, đảm nhận vị trí Kỹ sư trưởng ngành Hàng không vũ trụ vào năm 2011 sau sự nghiệp nghiên cứu và phát triển và quản lý chương trình.

Lowry cho biết: “Ngay trước khi chuyển sang hàng không vũ trụ, tôi đã nghiên cứu các vòng bi, bạc đạn năng lượng gió có đường kính 10-12 feet (3 m – 3,7 m). “Ở đây, một số nhỏ bằng ¼ inch (6,35 mm).”

Cả hai đều tận hưởng nhiều dự án mà họ bắt tay vào làm. Renaud nói: “Mỗi ngày đều khác.

Tuy nhiên, làm việc trên các chương trình không gian hàng tỷ đô la có nghĩa là tính chính xác phải là trung tâm. Chú ý đến từng chi tiết là rất quan trọng, cũng như văn hóa nhóm đặt ưu tiên hàng đầu vào giao tiếp cởi mở.

Họ đưa ra lời khuyên gì cho các kỹ sư trẻ đang tìm kiếm dự án không gian tiếp theo của họ ? Lowry nói: “Hãy đặt rất nhiều câu hỏi. “Hãy là một miếng bọt biển.”

Ngày nay, anh ấy nói, “một số chuyên môn ban đầu trong lĩnh vực này đã bắt đầu chuyển sang giai đoạn khác và một thế hệ trẻ đang đảm nhận những vai trò đó. Khách hàng có thể dựa vào chúng tôi nhiều hơn vì sự hỗ trợ của chúng tôi. “

Renaud đồng ý. “Học hỏi từ đồng nghiệp của bạn,” anh ấy nói. “Những người đã làm công việc trong nhiều năm là nguồn lực lớn nhất của bạn.”

Đồng thời, ngành công nghiệp vũ trụ đang phát triển nhanh chóng. Renaud nói: “Vệ tinh ngày càng nhỏ và rẻ hơn. “Khi một công ty đang gửi một loạt các vệ tinh nhỏ, tương đối rẻ tiền, đôi khi có thể chấp nhận được nếu một vài vệ tinh bị lỗi.” Đó là điều mà Renaud và nhóm Timken không quen.

Lowry nói: “Đó là một thế giới khác với chuyến bay vũ trụ trước đây. Nhưng anh ấy mong chờ thử thách. Chuyên môn và mô hình hợp tác của Timken, kết hợp với những ý tưởng và cách suy nghĩ mới mà thế hệ tiếp theo mang lại, chắc chắn sẽ đóng một vai trò lớn trong việc đáp ứng nhu cầu của các công ty không gian nhỏ hơn, nhanh nhẹn hơn.