Motores lineales de Faulhaber para la investigación aeroespacial

”Caso de éxito: Faulhaber ofrece los motores lineales DC para el desarrollo del proyecto HADES, una cápsula para la investigación aeroespacial”

Los científicos están utilizando sondas espaciales para buscar pistas sobre asteroides y cometas. Pero, sobre todo, para dar respuesta a una pregunta existencial: ¿Cuál es el origen de la vida en nuestro planeta?

Hay algunas indicaciones de que estos cuerpos celestes jugaron un papel importante en la génesis de la vida. Por supuesto, es imprescindible la ayuda de cápsulas para llevarlo a cabo. Estas están expuestas a fuerzas centrífugas de hasta 12 G y temperaturas de -270 a 5.000 ºC. Y, además, es fundamental que la cápsula sobreviva a la re-entrada en la atmósfera, y aterrice sin daños.

Y eso es de lo que trata el proyecto HADES de la Universidad Suiza de Ciencias Aplicadas de Ginebra junto a FAULHABER. En esta ocasión se han utilizado los motores lineales de Faulhaber para la estabilización dinámica.

La misión a la luna, la primera misión espacial

En 1969 Neil Armstrong y Buzz Aldrin fueron las primeras personas en pisar la luna. Su misión de aterrizaje lunar fue la primera misión espacial durante la cual las muestras fueron recolectadas en un cuerpo celestial y traídas de vuelta a la Tierra. Incluso hoy en día, los científicos continúan evaluando y haciendo nuevos descubrimientos a partir del material.

Los viajes espaciales tripulados son, sin embargo, demasiado caros y complicados para recolectar rocas cósmicas. Desde el Apolo 11, han sido sobre todo sondas no tripuladas las que han recogido sustancias de cuerpos celestes

Con pequeñas cantidades pueden responderse multitud de preguntas

Gracias a los métodos de análisis modernos, incluso las cantidades más pequeñas son suficientes para la investigación. Ayuda a los científicos a entender mejor los procesos que ocurrieron durante la formación de nuestro sistema solar.

Además, el aminoácido glicina también fue detectado en tales muestras. De ello se desprende que este bloque aterrizó en la Tierra con meteoritos y probablemente contribuyó al origen de la vida en nuestro planeta.

Antes de que las muestras puedan ser examinadas, deben, por supuesto, ser devueltas primero a la Tierra. Para lograr esto, las cápsulas de retorno se utilizan en las misiones no tripuladas. Se liberan de la sonda espacial en un momento determinado y se envían un pequeño empuje. La fuerza gravitacional de la Tierra eventualmente los obliga a aterrizar en lo que es un área precalculada.

Como todos los objetos que entran en la atmósfera de la Tierra desde el espacio, la cápsula se calienta en contacto con la atmósfera. Para contrarrestar esta reacción, está efectivamente protegida por su forma redonda-oval y una pantalla térmica. Una fase especialmente crítica del retorno comienza después de que ya se ha ralentizado significativamente por la resistencia al aire y se mueve a una velocidad subsónica única.

Peligro de la aerodinámica

Durante esta parte, la cápsula ya está expuesta a la aerodinámica terrestre. Cada eddy aéreo afecta su trayectoria y su orientación. Sin alas y solapas, no hay manera de estabilizarse desde el exterior. Existe el riesgo de que la cápsula comience a girar. Esto ocurrió, por ejemplo, con la cápsula de retorno de la misión Génesis de la NASA en 2004. Durante esta fase del vuelo, cambio su orientación prevista y no pudo soltar el paracaídas y se estrelló sin control en el suelo.

“Queremos evitar este escenario estabilizando la orientación de la cápsula durante su vuelo a través de la atmósfera”, explica Aurélien Walpen, de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Suiza Occidental (HES-SO).

“Uno de nuestros profesores es muy activo en el área del viaje espacial y nos explicó el problema de la cápsula de retorno. Tocamos varios conceptos, pero regresamos a nuestra idea inicial: Estabilización a través del desplazamiento del centro de gravedad”. La cápsula debe, en principio, hacer lo mismo que un surfista cuando se sostiene sobre su tabla mientras monta una ola: “Traducido al lenguaje de la mecánica, el movimiento de compensación tiene lugar en los ejes X e Y. Al desplazar un peso hacia adelante y hacia atrás en ambos ejes, es posible compensar las fuerzas desestabilizadoras externas”.

Fases del cohete

• 1. Elevación (0 km): El cohete es propulsado con una aceleración de 18g (la cápsula de 3kg ahora pesa 55kg), lo que hace de 0 a 2500 km/h en menos de 5 segundos.
• 2. Motor burnout (20 km): Después de aproximadamente 30 segundos de aceleración, el motor se detiene, habiendo utilizado todo su propulsor. Sin embargo, el cohete sigue ascendiendo de 20 a 90 km con el impulso adquirido.
• 3. Separación motor y nose cone (65km): Después de haber dejado el 99,9% de la atmósfera atrás, se expulsan la NOSECONE y el motor, ahora inútiles.
• 4. Expulsión de hades (70 km): El cohete se encuentra ahora en microgravedad, el momento perfecto para expulsar la cápsula HADES.
• 5. Hades apogee (85 km): Después de 2 min 30 s, la cápsula se encuentra ahora a su altitud máxima y comienza a caer de nuevo hacia la Tierra
• 6. Reentrada (50 km): La cápsula vuelve a entrar en la atmósfera de la Tierra a más de 3,200 km/h. Su caparazón kevlar se calentará, absorbiendo la mayor parte de la energía y ralentizando la cápsula a 700 km/h.
• 7. Fase de estabilización (30 km): La cápsula entra en la fase subsónica inestable. Para evitar oscilaciones, se inicia el sistema de estabilización activa y los servomotores lineales FAULHABER se mueven hacia delante y hacia atrás para garantizar un descenso seguro.
• 8. Aterrizaje y recuperación (0 km): Después de un vuelo corto pero agitado, la cápsula aterriza a una velocidad de 110 km/h, aterrizando en la nieve.

Valores máximos con componentes

El pequeño tamaño del cohete sólo permite una carga limitada. Por lo tanto, todos los componentes deben optimizarse con respecto al tamaño y el peso del espacio limitado disponible en el cono del cohete.

Motores Faulhaber: Motores con doble función

Tenía sentido utilizar servomotores DC lineales dentro de la cápsula para mover los dos pesos. Convenientemente, la masa del motor es suficiente en este caso para funcionar como contrapeso. El efecto estabilizador se consigue mediante los dos motores que se mueven hacia adelante y hacia atrás a lo largo de sus ejes. No es necesario añadir peso muerto adicional.

Al buscar soluciones fiables con motores lineales para esta tarea, expertos de ESA y HADES se han orientado a las soluciones que ofrece FAULHABER. Pudieron encontrar una unidad adecuada en función de los requisitos físicos para el desarrollo de este proyecto. En primer lugar, los motores deben ser relativamente robustos para soportar las enormes fuerzas durante el lanzamiento de cohetes y al volver a entrar en la atmósfera.

Especialmente al entrar en la atmósfera, se calienta. Y, antes de calentarse, ha estado expuesto a las temperaturas extremadamente bajas en el espacio.

Todo esto no debe impedir que los motores realicen sus tareas de forma fiable y rápida. Deben ser capaces de moverse hacia adelante y hacia atrás a lo largo de su eje de movimiento hasta cuatro veces por segundo. Para ello, necesitan un par muy alto, ya que deben ser capaces de trabajar contra fuerzas centrífugas y de frenado importantes. Al mismo tiempo, el espacio dentro de la cápsula – como siempre es el caso en los viajes espaciales – es muy escaso. El motor debe ofrecer el máximo rendimiento con dimensiones muy pequeñas.

Ventajas de utilizar los motores lineales Faulhaber

“Los servomotores lineales DC LM 2070-12 de FAULHABER lograron los mejores resultados y demostraron ser el motor más fiable” explica Aurélien Walpen.

“También era importante que el control del motor se programara e integrara fácilmente en todo el sistema”. Todo el sistema se probó en cámaras climáticas y de vacío, así como en el túnel de viento de la universidad de Ginebra. Allí se simuló la reacción de la cápsula a la resistencia al aire durante el vuelo a través de la atmósfera.

Durante las pruebas, los motores lineales estabilizaron de forma fiable la orientación de la cápsula. La cápsula será lanzada por un cohete REXUS desde el Centro Espacial Esrange en la ciudad sueca septentrional de Kiruna.

Después de acelerar a 20 G y alcanzar una velocidad máxima de 4.300 kilómetros por hora, viajará a una altitud de 100 kilómetros por encima de la superficie de la Tierra, donde se caerá la cápsula y gracias A FAULHABER regresará de forma segura.

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