Risolvere 4 sfide ai motori passo-passo per il volo spaziale

Il duro ambiente del vuoto e della microgravità rappresenta una sfida per i componenti, che richiedono capacità non comunemente incontrate sulla Terra. Ciò è particolarmente vero per i sistemi di controllo del movimento in cui il movimento è la loro funzione principale. I motori richiedono una potenza considerevole per funzionare, possono generare calore eccessivo, introdurre vibrazioni indesiderate e creare contaminanti.

Combattere questi problemi ha un costo. Requisiti energetici più elevati richiedono sistemi di alimentazione più grandi che generino più calore, richiedendo sistemi di raffreddamento più grandi. Ciò può portare a vibrazioni indesiderate, che richiedono sistemi di smorzamento più robusti, e i contaminanti possono causare danni agli strumenti e ad altri componenti di bordo. Una maggiore complessità può tradursi in guasti di componenti o di sistema, inaccettabili nelle applicazioni spaziali. È importante lavorare con un'azienda esperta nei requisiti del volo spaziale, come Lin Engineering, con motori passo-passo ibridi progettati per funzionare in ambienti difficili e con i problemi inerenti al controllo del movimento nello spazio. I motori sono assemblati in conformità con gli standard AS9100, tracciando l'origine di ogni componente per mantenere uno stretto controllo dalla produzione al prodotto finale.

Per affrontare le sfide:

Nelle applicazioni spaziali, la potenza ha un valore aggiunto: ogni watt sprecato da un sistema non ottimizzato costa risorse preziose. L'ottimizzazione del consumo energetico include la personalizzazione degli avvolgimenti del motore per fornire la coppia dinamica di picco alla velocità operativa desiderata. Ciò richiede un’adeguata integrazione di componenti ad alta precisione, come rotori a bassa inerzia e ad alta efficienza. A seconda dell'applicazione, gli ingegneri personalizzano ciascun motore per fornire le prestazioni necessarie tenendo conto dei vincoli di potenza nel sistema. Utilizzando algoritmi proprietari e comprovati, Lin Engineering ottimizza coppia e velocità, riduzione del rumore, generazione o perdita di calore e ottimizzazione della potenza.

Due problemi critici legati alla temperatura che riguardano i motori passo-passo ibridi nello spazio sono l’intervallo di temperatura e la quantità di calore generato. I satelliti e altri veicoli spaziali operano a temperature estreme, richiedendo progetti robusti per i sistemi montati esternamente.

Ad esempio, il calore influisce sulla forza dei magneti incorporati nel rotore. All’aumentare del calore, le prestazioni del motore diminuiscono. Una soluzione: i magneti permanenti. Costruiti con leghe di samario-cobalto o neodimio di terre rare, forniscono una maggiore potenza magnetica a temperature più alte e più basse.

Il calore influisce anche sulla durata dei cuscinetti utilizzati nei motori, accorciando la durata dell'intero sistema. È necessario utilizzare cuscinetti con grasso in grado di resistere a temperature comprese tra -80°C e 200°C, sia con lubrificazione a secco che senza lubrificazione. Possono essere progettati anche cuscinetti resistenti alle alte temperature e che non degasano.

Il calore eccessivo generato dal motore può rappresentare un problema, poiché in un ambiente sotto vuoto non c'è atmosfera per dissipare il calore dal motore o dal veicolo. Sulla Terra, l’aria conduce il calore generato lontano dalla nave, ma nello spazio, dissipare il calore richiede altri metodi che spesso aggiungono peso indesiderato, aumento di massa e complessità costruttiva non necessaria alla nave o al satellite. Inoltre, il calore generato da un motore passo-passo può influenzare gli strumenti e i componenti vicini, soprattutto nelle aree isolate. Per ridurre il calore, ottimizzare l'avvolgimento del motore passo-passo. L'integrazione di percorsi conduttivi con materiali termicamente conduttivi fornisce la dissipazione del calore tra l'isolante (colla) e le campane dell'estremità del motore, favorendo la gestione della temperatura.

Il lancio di un veicolo spaziale in orbita è violento, poiché i componenti sono esposti a vibrazioni ad alta ampiezza, vibrazioni a bassa ampiezza e urti provenienti da diverse direzioni. Inoltre, i motori passo-passo generano vibrazioni durante il normale funzionamento.

L'ottimizzazione degli avvolgimenti del motore riduce al minimo la frequenza di risonanza che si sviluppa a velocità operative specifiche. L'utilizzo di componenti lavorati con elevata concentricità e precisione dimensionale aiuta a garantire che i rotori o gli alberi non introducano vibrazioni indesiderate nel sistema.

Nello spazio le vibrazioni devono essere evitate perché possono influenzare i sensori e gli strumenti di bordo; le oscillazioni di basso livello possono influire sulla qualità dei sensori di misurazione e del dispositivo di imaging. Poiché il velivolo o il satellite si trovano nello spazio, dove non è possibile trasferire energia, smorzare le vibrazioni è una sfida. Ogni motore passo-passo progettato per lo spazio richiede l'integrità strutturale del materiale per gestire le forze previste senza alterare l'accuratezza dimensionale o l'integrità meccanica.