Romanian InSpace Engineering'den Yörünge İçin Kompakt Laboratuvar

Uzay donanımı genellikle aşırı derecede küçültme zorluklarını beraberinde getirir. Mühendislerin genellikle daha büyük olan orijinal bir sistemin işlevini korurken boyutu, kütleyi ve aşırı karmaşıklığı azaltması gerekir. Mikro yer çekimi araştırmaları için bu küçültme özellikle zorludur çünkü bir deney; fırlatma, kurulum, etkinleştirme ve yörüngede çalışma sonrasında faydalı bilimsel veriler üretmelidir.

RISE olarak da bilinen Romanian InSpace Engineering, 2017 yılında Bükreş'te kuruldu. RISE, uzay için donanım geliştirir ve mekanik, elektrik ve tam yığınlı yazılım geliştirme dahil olmak üzere çeşitli disiplinlerdeki kabiliyetleriyle projeleri destekler. Laboratuvar ölçeğinde bir deneyin, Uluslararası Uzay İstasyonu'nda (ISS) çalışmak üzere tasarlanmış kompakt bir yüke dönüştürüldüğü DropCoal projesinde bu kabiliyetler sonuna kadar sınandı.

DropCoal, Avrupa Uzay Ajansı'nın finanse ettiği, mikro yer çekiminde damlacık davranışını inceleyen ve araştırmacıların sıvıların çarpışması, zıplaması, birleşmesi ve karışmasında yer çekiminin etkili olmadığı durumlarda sıvı hareketini daha iyi anlamalarına yardımcı olacak bir deneydir. DropCoal yükü, Avrupa Uzay Ajansı'nın ISS'deki Columbus laboratuvarında bulunan tak ve çalıştır araştırma platformu ICE (Uluslararası Ticari Deney) Cubes Tesisi'ne kuruldu.

Dört Litreye İndirgenmiş Bir Laboratuvar

Mühendislik zorluğu, küçük bir kutu yapmaktan daha fazlasıydı. Laboratuvarda yapılan bir deneyin işlevinin damlacıkları hareket ettirebilecek, etkileşimlerini kontrol edebilecek, sonuçları görüntüleyebilecek ve deney bittikten sonra analizi destekleyebilecek, uzayda kullanıma uygun nitelikte bir donanıma sığdırılması gerekiyordu. Kurucu ortak Mugurel Balan'ın açıkladığı gibi RISE mühendisleri, laboratuvar ölçeğindeki deneyleri Uluslararası Uzay İstasyonu'nda çalışabilecek kompakt birer yük olarak yeniden tasarlayarak "büyük bir laboratuvar ortamını dört litrelik bir kutuya dönüştürüyor".

Laboratuvar ölçeğindeki bir deneyi kompakt dört litrelik bir yüke indirgemek ciddi mekanik, termal ve paketleme zorlukları yarattı. Sistemin pompalara, damlacık hareketini kontrol etmek için motorlara, optiklere, yüksek hızlı kameraya ve gerçek zamanlı görüntü analizi için yerleşik yazılıma ihtiyacı vardı. Deneyin akışkan davranışını saniyede 8.000 kare hızla yakalaması gerektiğinden, optik yapılandırma ve dahili paketleme yük mimarisinin merkezindeydi.

Balan'ın RISE'ı tanımlamak için kullandığı "küçük sistem entegratörü" ifadesi yaptıkları işe oldukça uygun. Ancak küçük demek, basit demek değildi. Ekibin bilimsel, mekanik, optik, termal, elektronik ve yazılım gereksinimlerini inanılmaz kısıtlamalarla bir kutuya sığdırması gerekiyordu. "Sayı gerçekten çok fazlaydı," diye vurguluyor Balan. Ayrıca ekibin, ilgili optik gereklilikleri karşılayan telesentrik lensler tasarlamak zorunda kaldığını da ekliyor.

Kısıtlamalar Etrafında Tasarlama

RISE, deneyin bilimsel gereksinimlerini kompakt, üretilebilir donanımlara dönüştürmek için SOLIDWORKS® Design kullandı. Pratik çalışmaların merkezinde entegrasyon vardı: fırlatma, kurulum ve çalışma için tasarımı geliştirirken mekanik, elektrikli ve deneysel bileşenleri sıkı kısıtlamalar altında dört litrelik bir yüke sığdırma.

En zorlu alan termal davranıştı. Yük, basit bir kararlı durum sistemi olarak çalışmıyordu. Işık kaynağı, kamera ve mikro denetleyici dahil olmak üzere bileşenler açıldıkça sistem de değişiyordu. Her adım reaksiyon odasındaki toplam sıcaklık artışına katkıda bulunduğu için bu dizi önemliydi.

Ekip, yinelemeli tasarım süreci boyunca SOLIDWORKS Simulation araçlarını kullandı. Balan, yük içindeki termal davranışı değerlendirmek için bilinen konveksiyon parametrelerinin kullanıldığı iş akışını "tasarım, simülasyon, tasarım, simülasyon" şeklinde tanımlıyor. Her simülasyon döngüsü, kompakt sistemin aşamalar halinde etkinleştirildiğinde nasıl davranacağını kontrol etmeye ve lansmandan önce tasarımı iyileştirmeye yardımcı oldu.

Beklentileri Yörüngeye Çıkarmak

En etkili sonuç, SOLIDWORKS Design simülasyon araçları kullanılarak tahmin edilen davranış ile gerçek çalışma arasındaki ilişkiydi. "İstasyondaki sonuçlar, simülasyonda ulaştığımız sonuçlara çok yakındı," diyor Balan. Bu tutarlılık, ekibin tasarım ve simülasyon çalışmalarının kompakt yükün yörüngede çalışırken sergileyeceği gerçek sistem davranışını öngörmeye yardımcı olduğunu gösterdi.

DropCoal, yalnızca 50 kişilik bir şirketten çıkan Rumen bir endüstriyel ekibin Uluslararası Uzay İstasyonu araştırması için eksiksiz bir uzay sistemi geliştirebileceğini de gözler önüne serdi. NASA astronotu Don Pettit, ISS'nin Columbus modülünün içindeki ICE Cubes Tesisi'nde DropCoal deneyinin kurulumunu yaptı. Araştırma, bilim insanlarının mikro yer çekiminde damlacık davranışını daha iyi anlamalarına yardımcı olabilir ve ilaç formülasyonu, sıvı dağıtımı ve yanma modellemesi gibi alanlarda potansiyel öneme sahip olabilir.

Mühendisler bu bilimsel deneyi paketlenebilen, değerlendirilebilen, başlatılabilen, kurulabilen ve çalıştırılabilen kompakt donanıma dönüştürmek için SOLIDWORKS Design'ı kullandı. RISE için tekrarlanabilir mühendislik değeri, donanım yeniden tasarımın artık mümkün olmadığı bir ortama ulaşmadan önce, tasarım ve simülasyonu birlikte kullanarak belirsizliği azaltmak.

Kompakt Sistemler, Ciddi Sonuçlar

DropCoal küçük bir yük olsa da uzay mühendisliği açısından büyük bir ders veriyor. Entegrasyon kalitesi yörüngede büyük önem taşır çünkü verilen her bir dahili karar; termal davranışı, görüntü kalitesini, mekanik uyumu veya deneysel güvenilirliği etkileyebilir. Balan büyük bir coşkuyla SOLIDWORKS Design'ın değerinin, sistem davranışını anlamak için yinelemeli MODSIM (modelleme + simülasyon) sürecini hızlı bir şekilde tekrarlama becerisinden geldiğini söylüyor.

Uzay donanımı ekipleri için çıkarılması gereken ders açık: Yörüngedeki araştırmaların geleceği yalnızca cesur misyon fikirlerine değil, aynı zamanda bu fikirleri hata kabul etmeyen fiziksel kısıtlamalar altında küçültme, doğrulama ve uygulama becerisine de bağlı olacak.