Romanian InSpace Engineering社が宇宙に向けてラボを凝縮

宇宙空間のハードウェアには、極度の小型化への挑戦が求められることがあります。技術者は、元のほとんどは大型のシステムのサイズと質量を縮小し、過剰な複雑化を回避しながら、機能は保たなければなりません。微小重力の研究では、打ち上げ、設置、起動、軌道上での運用を経た後に実験で有用な科学データを生成する必要があるため、このような圧縮は特に過ちが許されません。

Romanian InSpace Engineering (RISE)社は、2017年にブカレストで設立されました。宇宙用ハードウェアを開発し、機械、電気、フルスタック ソフトウェア開発を含む複数の分野にわたる技術力によってプロジェクトをサポートします。DropCoalプロジェクトではこの技術力が試され、ラボ規模の実験を国際宇宙ステーション(ISS)で運用するために設計されたコンパクトなペイロードに変身させました。

DropCoalは欧州宇宙機関の出資による微小重力下での飛沫の挙動を研究する実験であり、液体が重力の影響を受けない環境でどのように衝突、弾み、合体、混合するかという流体の動きについて理解を深めるために行います。DropCoalのペイロードは、ISS内の欧州宇宙機関のコロンバス実験棟にあるプラグアンドプレイ式研究プラットフォーム、ICE (International Commercial Experiment) Cubes Facilityに設置されました。

4リットルに縮小されたラボ

設計上の課題は、単に小さな箱を作ることではありません。液滴を移動し、その相互作用を制御し、結果を画像化して、実験後の分析を支援するというラボでの実験の機能を、宇宙空間で動作するハードウェアに圧縮するということです。共同設立者のMugurel Balan氏によると、RISE社の技術者たちは「大きな実験台を4リットルの箱に変え」、ラボ規模の実験を国際宇宙ステーションで運用できるコンパクトなペイロードに再設計しました。

ラボ規模の実験をコンパクトな4リットルのペイロードに縮小するには、機械、熱、梱包に関する大きな課題がありました。このシステムには、ポンプ、液滴の動きを制御するモーター、光学部品、高速カメラ、リアルタイム画像解析のためのオンボード ソフトウェアが必要でした。また、この実験では毎秒8,000フレームで流体の挙動を捕捉する必要があり、光学部品の配置と内装材がペイロード アーキテクチャの中心となりました。

Balan氏は、RISE社を「小さなシステムのインテグレータ」と表現しました。この仕事によく合うフレーズです。しかし、「小さな」は「単純な」と同義語ではありませんでした。チームは、科学、機械、光学、熱、電子、ソフトウェアの各要件を信じられないほど制約のある箱に収める必要がありました。「本当にぎゅうぎゅうでした」とBalan氏は強調しました。また、チームは光学系に特化したテレセントリック レンズを設計する必要があったと付け加えました。

制約条件内の設計

RISE社はSOLIDWORKS® Designを使用して、実験の科学的要件をコンパクトで製造可能なハードウェアに変換しました。実際の作業の中心は統合で、機械、電気、実験に関わるコンポーネントを厳密に制約された4リットルのペイロードに収める一方、打ち上げ、設置、運用に向けて設計を改良しました。

最も難しかった領域は熱的挙動でした。ペイロードは単純な定常状態のシステムとして運用するものではなく、光源、カメラ、マイクロ コントローラなどのコンポーネントのスイッチがオンになると変化しました。各ステップが反応チャンバーの合計温度上昇に寄与しているため、この順序が重要でした。

チームは、反復設計プロセス全体でSOLIDWORKS Simulationツールを使用しました。Balan氏の表現を借りれば、ペイロード内部の熱挙動を評価するために既知の対流パラメータを使用した「設計、シミュレーション、設計、シミュレーション」というワークフローでした。シミュレーション サイクルごとに、チームはコンパクトなシステムが段階的に起動されたときにどのように動作するかをチェックし、打ち上げ前に設計を改良することができました。

軌道上と予想値の一致

最も強力な成果は、(SOLIDWORKS Designシミュレーション ツールを使用して)予測された動作と実際の動作との関係でした。「ISSでの結果は、当社のシミュレーションと非常に近い数値になりました」とBalan氏。この値の近似は、チームの設計とシミュレーション作業が、コンパクトなペイロードを軌道上で運用した際の実際のシステム挙動を予測するうえで役立ったことを示しました。

DropCoalはまた、ルーマニアのわずか50人の企業からの産業チームが国際宇宙ステーションの研究のための完全な宇宙システムを開発できることを実証しました。NASAの宇宙飛行士Don Pettit氏がDropCoal実験をISSのコロンバス モジュール内のICE Cubes Facilityに設置しました。この研究は、科学者が微小重力下での液滴の挙動をより深く理解するために役立つ可能性があり、医薬品配合、流体供給、燃焼モデリングなどの分野にも応用できる可能性があります。

エンジニアは、SOLIDWORKS Designを活用して、この科学実験をパッケージ化、評価、打ち上げ、設置、運用できるコンパクトなハードウェアに変換しました。RISE社にとって、繰り返し可能なエンジニアリングの価値は、再設計がもはや実用的ではない環境にハードウェアが到達する前に、設計とシミュレーションを併せて活用して不確実性を減らすことです。

コンパクトなシステム、重大な結果

DropCoalは小さなペイロードですが、宇宙工学に大きな学びをもたらしています。軌道上では、すべての内部決定が熱的挙動、画像の品質、機械的適合性、実験の信頼性に影響を与えるため、統合の品質は非常に重要です。Balan氏は、SOLIDWORKS Designの価値は、反復的なMODSIM (モデリング+シミュレーション)プロセスを迅速に繰り返してシステムの動作を理解できることにあると熱を込めて語りました。

宇宙ハードウェア チームにとって、教訓は明らかです。軌道上研究の未来は、大胆なミッションのアイデアだけでなく、容赦のない物理的な制約の中でそれらのアイデアを小型化し、検証し、実行できるかどうかにかかっているということです。