«Клапаны Маленькие детали, которые вызывают большие проблемы в космосе»
После некоторого времени наблюдения за космической индустрией вы поймете, что значительное количество проблем, которые приводят к катастрофам спутников или запусков, возникают.
Клапаны могут стать худшей кошмаром для инженера космического аппарата.
Когда дело доходит до космической промышленности, можно подумать, что самые катастрофические отказы происходят из-за сложных и замысловатых компонентов. Однако реальность совсем иная. На самом деле существенную долю аварий на спутниках и космических аппаратах можно отнести к видимо незначительной детали: клапанам.
Клапаны критически важны в космической архитектуре, так как они регулируют поток веществ, таких как гелий и рабочие тела. Они также находятся в ракетах-носителях и являются одной из самых распространенных подкомпонентов в этих системах. Этот факт был недавно подчеркнут, когда Astrobotic объявила, что ее луноход Peregrine не сможет попытаться выполнить мягкую посадку на Луну из-за утечки топлива, источником которой является неисправный клапан[^1]. Но Astrobotic не одинок в проблемах, связанных с клапанами. У Boeing возникли большие задержки в миссиях пилотируемой капсулы Starliner из-за проблем с клапанами, а Crew Dragon компании SpaceX взорвался во время опытов на земле из-за неплотного клапана[^2][^3].
“Сделать клапан счастливым гораздо сложнее, чем многие думают”, говорит Джейк Тьюферт, технический директор Benchmark Space Systems[^4]. Клапаны состоят из поршня, который после активации должен снова занять исходное положение и создать герметичность. Этот казалось бы простой процесс может привести к различным осложнениям, таким как утечки, если возникнут какие-либо проблемы. Что делает задачу еще более сложной, так это то, что аэрокосмические клапаны должны быть изготовлены с ультравысокой точностью, быть легкими и выдерживать экстремальные температуры, жидкости, вибрации и давления. Некоторым клапанам даже требуются ультранизкие показатели утечки, позволяющие выпускать не более одного грамма гелия за 200 лет[^5].
Инженеры и производители клапанов сталкиваются с дополнительными проблемами из-за физической реальности пространства. Несовместимость некоторых топлив, окислителей и полимеров для прокладок клапанов может привести к коррозии или трещинам. Инженеры также должны быть осторожными с иностранными объектами, которые могут забить клапаны или помешать правильной герметизации. Даже небольшие утечки могут вызвать серьезные проблемы из-за быстрого расширения газа и последующих изменений температуры[^6].
На земле инженеры подвергают космические аппараты ряду испытаний. Однако полностью воспроизвести полетную среду невозможно[^7]. “Вы, конечно же, можете бросить что-то на вибрационный стол и создать профиль вибраций, а в то же время быть полностью нагнетенным и подверженным паром окислителя, что происходит во время полета”, говорит Тьюферт[^8].
- CES 2024 Все, что уже раскрыто, от Nvidia и Sony до самых странных ...
- Spot Биткоин ETF Штурмующий рынок
- 🚗 ХЕРЦ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВОЗРОЖДЕНИЕ, КОТОРОЕ ЗАТХЛО 🚗
Имея обширный список потенциальных способов отказа, инженерам в конечном итоге приходится определять свою уверенность в проведенных проверках. Кроме того, не редкость, когда компании исчерпывают маржу времени на проектирование, закупки и производство, оставляя наибольшее давление на отдел испытаний для выполнения сроков[^9]. Как говорит Грант Бонин, конструктор космических аппаратов и основатель gravityLab, “Когда вы сталкиваетесь со сменой персонала внутри и когда вы работаете с большим количеством поставщиков, очень легко не провести достаточное количество тестов и упустить некоторые из этих проблем”[^10].
Можно подумать, что добавление дополнительного клапана в качестве резерва решит проблему. Однако введение нескольких клапанов или подкомпонентов может создать новые способы отказов, которых не было бы с одним клапаном[^11]. Кроме того, цепочка поставок космической промышленности не предназначена для массового производства, что сказывается на доступности и надежности компонентов, таких как клапаны. Маленькие компании часто сталкиваются с более длительными сроками производства, ограниченными объемами или необходимостью приобретения готовых решений или разработки собственных[^12].
Реальность заключается в том, что производство космического оборудования является в значительной степени заказным процессом. Многие клапаны изготавливаются в небольших сериях для конкретных систем тяги или космических аппаратов. Компетенция поставщиков может меняться со временем из-за узкой специфики отрасли и зависимости от устного наследия. Когда опытный специалист уходит на пенсию или уходит, ценные знания могут быть утеряны, что приводит к несоответствиям в качестве производства[^13].
Хотя были предприняты усилия по совершенствованию техник производства, и некоторым производителям клапанов удалось достичь впечатляющих результатов[^14], космическая промышленность в целом все еще далека от достижения истинной массовой производительности. Это ограничение, в сочетании с человеческой ошибкой, дополнительно способствует проблемам, связанным с обеспечением надежности клапанов[^15].
В заключение, клапаны могут быть физически небольшими, но их влияние на космическую промышленность значительно. Отказы, вызванные неисправными клапанами, служат напоминанием о том, что даже самые кажущиеся незначительные компоненты могут иметь катастрофические последствия. В своем стремлении к прогрессу космическая промышленность должна внести усилия для улучшения дизайна клапанов, процессов производства и процедур испытаний, что будет критически важно для предотвращения таких отказов и обеспечения успеха будущих миссий.
Вопросы и ответы:
Q: Почему клапаны настолько критичны для космических аппаратов и ракет-носителей? A: Клапаны играют решающую роль в регулировании потока веществ, таких как гелий и рабочие жидкости, что делает их неотъемлемыми для обеспечения правильной работы космических аппаратов и ракет-носителей[^1].
Q: Каковы основные проблемы в конструировании клапанов для космической индустрии? A: Конструкторам клапанов предстоит нелегкая задача производства компонентов с ультравысокой точностью, легкими материалами и способностью выдерживать экстремальные температуры, жидкости, вибрации и давления. Они также должны соответствовать требованиям к ультранизкому уровню утечки[^5].
Q: Как проводятся испытания клапанов перед использованием на космических миссиях? A: Космические аппараты проходят ряд тестов на Земле для максимального приближения к условиям полета. Однако полностью воспроизвести точные условия, испытываемые при запуске и в орбите, представляет сложность[^7].
Q: Нельзя ли добавить дополнительные клапаны в качестве резерва для снижения риска отказов? A: Хотя это может показаться разумным решением, введение нескольких клапанов может создать новые способы отказа, которых не было бы с одним клапаном[^11].
Q: Почему производство клапанов все еще не массовое в космической индустрии? A: Несмотря на улучшение технологий производства, космическая индустрия пока не является массовым рынком, а объемы производства космических аппаратов относительно невелики. Это делает производство компонентов, таких как клапаны, более индивидуальным и опирающимся на мастерскую ручную работу[^12].
Q: Как человеческий фактор влияет на надежность клапанов? A: В отрасли авиации, где знания иногда концентрируются в немногих людях, человеческий фактор может проявляться при производстве, что приводит к разным степеням качества[^13][^15].
Ссылки: – Astrobotic’s Peregrine lander с проблемами с тягой – Boeing’s Starliner crewed capsule задерживается из-за проблем с клапанами – SpaceX’s Crew Dragon взрыв вызван утечкой клапана – Benchmark Space Systems – gravityLab – Marotta’s solenoid CoRe клапан для SpaceX
Помните, делиться — значит заботиться! Распространите знания о роли клапанов в космосе, поделившись этой статьей в социальных сетях, и не забудьте отметить своих друзей, увлекающихся космосом! 🚀🌌✨
