Een nieuw koppelsysteem voor rendez-vous in de ruimte

De Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA) werkt aan een nieuw systeem om eenvoudig koppelen tussen twee ruimtevaartuigen mogelijk te maken. maxon heeft hiervoor twee speciale aandrijfsystemen ontwikkeld.

SENER / maxon / Sierra Nevada Corp.
Voor het hard capture system heeft maxon een EC 32 platte motor ontwikkeld met twee wikkelingen en een GPX 22 UP planetaire overbrenging
There are twelve maxon drive systems power the locking hooks. Each consisting of two brushless EC-4pole 30 motors and a GPX 42 UP gearhead.

Hoewel het al vaak is gedaan, is het koppelen tussen twee objecten in de ruimte altijd een delicate en potentieel gevaarlijke procedure. De snelheid is extreem hoog (circa 28.000 km/h in het geval van het ISS), en correcties zijn moeilijk. Als twee objecten bijvoorbeeld op het punt staan contact te maken, kunnen manoeuvreer-thrusters niet meer worden gebruikt, omdat de uitlaatpluimen schade kunnen veroorzaken. Om schade te voorkomen worden vrachttransporters door een robotische arm in het internationale ruimtestation (ISS) gegrepen en handmatig geankerd. Bemande ruimtevaartuigen koppelen anderzijds direct in een computergestuurd proces.

Deze variant van koppelen wordt in de toekomst eenvoudiger en veiliger. Om deze reden heeft de Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA) industriepartners opgedragen een nieuw koppelsysteem IBDM (International Berthing and Docking Mechanism) te ontwerpen. Dit is conform de International Docking System Standard (IDSS), een standaard die wereldwijd is overeengekomen tussen de grote ruimtevaartorganisaties. Het systeem zal daarom compatibel zijn met het ISS en de meeste andere ruimtevaartuigen. De eerste missie van het mechanisme zal met de Dream Chaser zijn, een ruimteveer dat lijkt op een compacte variant van de spaceshuttle. Binnenkort zullen vrachtvluchten naar het ISS worden uitgevoerd. Het ruimteveer wordt ontwikkeld door de Sierra Nevada Corporation.

Koppelenergie wordt geabsorbeerd

De IBDM is een androgyn koppelsysteem. Dit betekent dat de connector aan beide zijden identiek is. Hij bestaat uit een harde binnenring (Hard Capture System) en een zachte buitenring (Soft Capture System) die zes vrijheidsgraden en krachtsensoren bevat. De buitenring absorbeert eerst de koppelenergie. Daarna wordt de uiteindelijke luchtdichte verbinding gemaakt en vergrendeld met mechanische haken, die de twee ruimtevaartuigen dicht tegen elkaar trekken.

SENER is verantwoordelijk voor het ontwikkelen en installeren van het Hard Capture System. Het bedrijf werkt momenteel aan het kwalificatiemodel, waarvan de tests gepland staan voor 2020. „Want het IBDM moet zo snel mogelijk worden gebruikt voor een leveringsmissie voor het ISS”, aldus SENER's Gabriel Ybarra. Een van de volgende stappen zou het gebruik zijn in het Lunar Space Station van NASA, dat gepland staat in een baan om de maan te gaan en in de toekomst als lanceringspunt zou kunnen dienen voor bemande missies naar Mars.

Dubbele systemen voor maximale veiligheid

Dit is een uitdagend project voor de ingenieurs van SENER: „We moeten eerst alle eisen van ESA en NASA volledig begrijpen en kijken hoe we deze eisen kunnen vervullen. Met name met betrekking tot de veiligheid, omdat het koppelmechanisme ook kan worden gebruikt voor bemande missies.” De elektrische aandrijvingen die worden gebruikt moeten licht zijn en het vereiste koppel leveren, bovendien moeten ze extreem betrouwbaar zijn. Dit is de reden dat SENER al jaren met maxon werkt, de specialist voor aandrijvingen.

De ingenieurs van maxon hebben twee aandrijvingen voor SENER ontwikkeld, die voor een grote verscheidenheid aan functies kunnen worden gebruikt. De eerste aandrijving bestaat uit twee borstelloze EC-4pole motoren en een GPX UP overbrenging. Twaalf van deze actuatoren drijven de vergrendelingshaken in het IBDM koppelmechanisme aan. De tweede aandrijving combineert een platte motor met een planetaire overbrenging. Deze wordt in elf posities gebruikt om de insteekverbindingen en de vasthoudogen te beheren, maar ook andere hulpfuncties.

Omdat het IBDM koppelmechanisme een vluchtkritieke toepassing is, zijn redundante aandrijfsystemen vereist. De back-up moet ook werken als de primaire aandrijving niet werkt. Dit wordt vaak opgelost met een reservemotor die in een noodgeval kan overnemen. Deze benadering wordt gebruikt voor de actuator van de vergrendelhaak. Voor het andere aandrijfsysteem hebben de ingenieurs van maxon echter een andere, onconventionele oplossing gevonden: in plaats van een extra motor wordt een extra stator gebruikt. De platte motor heeft twee stators en dus ook twee wikkelingen, die de rotor beide onafhankelijk kunnen aandrijven – een ingenieuze oplossing, die de veiligheid waarborgt maar ook plaatsbesparend is.

Gabriel Ybarra prijst de samenwerking met maxon: "Het team begrijpt onze eisen en is zeer snel met aanpassingen aan ontwerpen." Bovendien hebben beide partners een passie voor mechatronische systemen. "Het geeft een geweldig gevoel bij de volledige cyclus betrokken te zijn, van het ontwerp tot de productie en het testen. Dit maakt het extreem interessant. En wanneer het systeem voor het eerst beweegt, dan is het alsof je je eigen kinderen hun eerste stappen ziet zetten."