Productnieuws

Surfing back to earth

24 februari

Een capsule vol met materiaalmonsters op weg terug naar de aarde. Blootgesteld aan centrifugale krachten tot 12 G en temperaturen van -270 tot 5.000° Celsius die op het schild inwerken. De capsule moet het allemaal trotseren om een antwoord mee terug te nemen op een existentiële vraag: Waar komt het leven op onze planeet vandaan? Wetenschappers gebruiken ruimtesondes om te zoeken naar aanwijzingen op bijvoorbeeld asteroïden en kometen. Er zijn namelijk aanwijzingen dat deze hemellichamen een belangrijke rol hebben gespeeld in het ontstaan van het leven. Natuurlijk is het van cruciaal belang dat de capsule met zijn kostbare lading de terugkeer in de atmosfeer en de landing ongeschonden doorstaat. En daar gaat het om bij het HADES-project van de Zwitserse Universiteit voor Toegepaste Wetenschappen in Genève, gesponsord door FAULHABER. Voor de dynamische stabilisatie van de vlieghouding van de capsule zal het HADES-team in de toekomst vertrouwen op lineaire motoren van FAULHABER.

In 1969 waren Neil Armstrong en Buzz Aldrin de eerste mensen die voet op de maan zetten. Hun maanlanding was de eerste ruimtemissie waarbij monsters van een ander hemellichaam werden genomen en mee terug naar de aarde werden gebracht. Dat materiaal van toen wordt zelfs nu nog geanalyseerd door wetenschappers, die nog steeds nieuwe ontdekkingen doen. Maar bemande ruimtevaart is veel te complex en te kostbaar om alleen maar wat buitenaardse stenen te verzamelen. Na de Apollo 11-missies hebben alleen onbemande sondes nog materiaal van hemellichamen verzameld.

 

 

Een paar gram sterrenstof

De NASA-astronauten brachten in totaal honderden kilo’s maanstenen mee terug, maar moderne onbemande missies volstaan meestal met enkele grammen ruimtestof. Dankzij hedendaagse analysemethoden is zelfs de kleinste hoeveelheid al voldoende voor diepgaand onderzoek. Via dit onderzoek kunnen wetenschappers beter begrijpen welke processen zich tijdens de vorming van ons zonnestelsel hebben afgespeeld. Een van de ontdekkingen bij de analyse van ruimtemonsters was het aminozuur glycine. Hieruit kan worden afgeleid dat deze belangrijke bouwsteen voor de vorming van eiwitten via meteorieten op aarde is beland – waarschijnlijk op die manier heeft bijgedragen aan het ontstaan van leven op onze planeet.

Maar voordat ruimtemonsters kunnen worden geanalyseerd, moeten ze uiteraard eerst veilig naar de aarde worden vervoerd. Daarvoor maken de onbemande ruimtemissies gebruik van retourcapsules. Deze worden op een zorgvuldig bepaald moment door de sonde losgelaten en met een zacht duwtje op weg gestuurd. Uiteindelijk zullen ze dankzij de zwaartekracht van de aarde landen in een gebied dat van tevoren precies is berekend.

Zoals alle voorwerpen die vanuit de ruimte de aardse atmosfeer binnenkomen, worden de capsules extreem heet wanneer ze in contact komen met de. Ter bescherming tegen deze hitte heeft onze atmosfeer capsule een rond-ovale vorm en een hitteschild. Een kritieke fase van de terugkeer in de aardatmosfeer begint korte tijd later, wanneer de snelheid van de capsule door de luchtweerstand sterk is afgenomen tot een subsonische snelheid.

 

Gevaarlijke aerodynamiek

Tijdens dit deel van de vlucht wordt de capsule blootgesteld aan de aerodynamische effecten van de dampkring. Elke luchtwerveling heeft een effect op de route en de stand van de capsule. Omdat de capsule geen vleugels en kleppen heeft, kan hij niet extern worden gestabiliseerd. Er bestaat een risico dat de capsule snel rond zijn as gaat draaien. Dit gebeurde bijvoorbeeld in 2004 bij de terugkeer van de capsule van de Genesis-missie van de NASA. In deze fase van de vlucht kon de capsule de gewenste oriëntatie niet vasthouden. De parachute werd niet ontplooid en de capsule viel te pletter op aarde.

“We willen dit scenario voorkomen door de oriëntatie van de capsule te stabiliseren tijdens de vlucht door de atmosfeer”, vertelt Aurélien Walpen van de Zwitserse HES-SO Universiteit uit Genève en Fribourg. Hij was als masterstudent betrokken bij het HADES-project aan die universiteit. “Een van onze hoogleraren is heel actief op het gebied van ruimtevaart en confronteerde ons met het probleem van de retourcapsule. We hebben met verschillende concepten gespeeld, maar kwamen al snel weer uit bij ons allereerste idee: stabilisatie door verplaatsing van het zwaartepunt.”

De capsule moet in wezen doen wat een surfer doet wanneer hij op een plank de golven berijdt: hij compenseert de bewegingseffecten van zijn dynamische ‘ondergrond’ door het zwaartepunt van zijn lichaam te verplaatsen. “In de taal van de mechanica kun je zeggen dat de compenserende beweging zich moet afspelen langs de x-as en de y-as. Door langs deze twee assen een tegengewicht heen en weer te bewegen, kun je externe destabiliserende krachten compenseren.”

 

 

 

Motoren met een dubbele functie

Het lag voor de hand om de gewichtsverplaatsing in de capsule te realiseren met behulp van lineaire DC-servomotoren. Het handige is dat de massa van de motoren zelf al voldoende is om als tegengewicht te dienen. De stabilisering wordt verkregen doordat de twee motoren snel langs hun assen heen en weer bewegen Het is niet nodig om extra ‘dood gewicht’ toe te voegen. Op zoek naar betrouwbare oplossingen met lineaire motoren, kwamen de experts van ESA en HADES uit bij FAULHABER. Hier vonden ze het juiste aandrijvingsportfolio voor hun bijzondere opgave, dat optimaal voldeed aan de fysieke vereisten.

Er worden zeer hoge eisen gesteld aan de motoren. Om te beginnen moeten ze robuust genoeg zijn om de enorme krachten te weerstaan die optreden tijdens de lancering van de raket en bij de terugkeer in de dampkring. Vooral bij de terugkeer wordt het heel heet in de capsule – nadat de capsule eerder was blootgesteld aan het vacuüm en de extreem lage temperaturen van de ruimte. Desondanks moeten de motoren hun taak betrouwbaar en snel verrichten. Ze moeten tot vier keer per seconde langs hun bewegingsas heen en weer kunnen bewegen. Hierbij moeten ze significante vertragende en centrifugale krachten compenseren. Tegelijkertijd is er maar heel weinig ruimte in de capsule – zoals altijd het geval is bij ruimtereizen. De motor moet maximale prestaties leveren met minimale afmetingen.

“Ook hier hebben we verschillende opties geprobeerd en kwamen we uiteindelijk toch weer uit bij onze eerste keuze”, vertelt Aurélien Walpen. “De lineaire LM 2070-12 DC-servomotor van FAULHABER scoorde het hoogst op alle belangrijke criteria en heeft aangetoond de meest betrouwbare aandrijving te zijn. Het is ook belangrijk dat de motorbesturing gemakkelijk geprogrammeerd en in het totale systeem geïntegreerd kan worden.” Het gehele systeem werd getest in klimaat- en vacuümkamers en in de windtunnel van de universiteit in Genève. Daar werd de reactie van de capsule op de luchtweerstand tijdens de vlucht door de dampkring gesimuleerd. Bij de tests bleek dat de lineaire motoren de stand van de capsule betrouwbaar konden stabiliseren. Er was voor maart 2020 een veldtest gepland waarbij een capsule uit de ruimte zou terugkeren, maar deze test moest worden uitgesteld tot de lente van 2021. De capsule wordt dan door een REXUS-raket gelanceerd vanaf het Esrange Space Center bij Kiruna in het noorden van Zweden. De raket accelereert met 20 G tot een snelheid van 4.300 kilometer per uur en bereikt zo een hoogte van 100 kilometer boven het aardoppervlak. Hier wordt de capsule losgelaten en teruggestuurd naar de aarde – dankzij motoren van FAULHABER zal hij veilig kunnen landen.