Γιατί οι βαλβίδες είναι ο χειρότερος εφιάλτης ενός μηχανικού διαστημικού σκάφους

Ακολουθήστε τη διαστημική βιομηχανία για αρκετό καιρό και θα παρατηρήσετε ότι ένας τεράστιος αριθμός καταστροφικών αστοχιών δορυφόρων ή οχημάτων

εκτόξευση

ς μπορεί να εντοπιστεί σε ένα φυσικά μικρό αλλά πανταχού παρόν μέρος: τις βαλβίδες.

Οι βαλβίδες παίζουν κρίσιμο ρόλο στην αρχιτεκτονική του διαστημικού σκάφους, ρυθμίζοντας τη ροή των ουσιών πίεσης, όπως το ήλιο, και τα προωθητικά. Μπορούν επίσης να βρεθούν σε οχήματα εκτόξευσης και ως προς τον αριθμό είναι ένα από τα πιο κοινά υποεξαρτήματα σε αυτά τα συστήματα. Αυτή η πραγματικότητα ήρθε στο επίκεντρο αυτή την εβδομάδα, όταν η Astrobotic ανακοίνωσε ότι το σεληνιακό προσεδάφισμά της Peregrine δεν θα μπορούσε να επιχειρήσει μια ήπια προσγείωση στο φεγγάρι λόγω διαρροής πρόωσης στο τέλος της αποστολής – με πιθανή προέλευση σε μια βαλβίδα που απέτυχε να επανασφραγιστεί.

Όμως, η Astrobotic απέχει πολύ από το να είναι η μόνη διαστημική εταιρεία που έχει μια αποστολή που διακόπτεται από προβλήματα βαλβίδων κατά τη διάρκεια δοκιμών ή σε τροχιά. Boeing

αντιμετώπισε μεγάλες καθυστερήσεις στην αποστολή

για τη δεύτερη τροχιακή δοκιμαστική πτήση της πλήρους κάψουλας Starliner λόγω προβλημάτων βαλβίδας και πίσω το 2019, το Crew Dragon της SpaceX

εξερράγη κατά τη διάρκεια δοκιμής εδάφους

λόγω διαρροής βαλβίδας στο σύστημα πρόωσης.

«Υπάρχουν χίλιοι διαφορετικοί τρόποι με τους οποίους μπορείς να κάνεις μια βαλβίδα δυσαρεστημένη», είπε ο Jake Teufert, CTO της Benchmark Space Systems, μιας startup με έδρα το Βερμόντ που αναπτύσσει συστήματα πρόωσης για διαστημόπλοια.

Ακόμη και χίλια μπορεί να είναι υποτίμηση. Γενικά, οι βαλβίδες αποτελούνται από ένα έμβολο που πρέπει να επανατοποθετηθεί μετά την ενεργοποίησή του και το οποίο πρέπει να κλείσει σε μια τσιμούχα. “Εάν υπάρχουν προβλήματα με αυτό, μπορεί να κλείσει λάθος, μπορεί να προκαλέσει διαρροές”, δήλωσε ο Grant Bonin, σχεδιαστής διαστημικού σκάφους και ιδρυτής του gravityLab.

Αλλά αυτή η περιγραφή είναι πολύ απλή, σε σημείο να είναι παραπλανητική. Οι βαλβίδες αεροδιαστημικής πρέπει να κατασκευάζονται με εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια, να είναι όσο το δυνατόν πιο ελαφριές και να μπορούν να αντέξουν ένα γάντι ακραίων: ακραίες θερμοκρασίες, ακραία υγρά, περιβάλλοντα ακραίων κραδασμών και ακραίες πιέσεις — μερικές φορές έως και χιλιάδες λίβρες ανά τετραγωνική ίντσα. Οι βαλβίδες πρέπει επίσης να έχουν εξαιρετικά χαμηλές απαιτήσεις διαρροής. Ο Teufert είπε ότι ορισμένες βαλβίδες έχουν επιτρεπόμενους ρυθμούς διαρροής που ισοδυναμούν με διαρροή μόνο ενός γραμμαρίου ηλίου κατά τη διάρκεια 200 ετών.

Τα πράγματα περιπλέκουν ακόμη περισσότερο οι υποκείμενες φυσικές πραγματικότητες με τις οποίες πρέπει να αντιπαρατεθούν οι μηχανικοί και οι κατασκευαστές βαλβίδων. Για παράδειγμα, ορισμένα καύσιμα και οξειδωτικά δεν είναι συμβατά με ορισμένα πολυμερή φλάντζας βαλβίδων και η χημική ασυμβατότητα μπορεί να οδηγήσει σε προβλήματα όπως διάβρωση ή ρωγμές. Οι μηχανικοί πρέπει επίσης να είναι σε επαγρύπνηση έναντι «συντριμμιών ξένων αντικειμένων» ή FOD, το πιο μικροσκοπικό σωματίδιο συντριμμιών ή ακαθαρσιών που μπορεί να φράξει μια βαλβίδα ή να αποτρέψει τη σωστή στεγανοποίηση. Ακόμη και μικρές διαρροές μπορεί να προκαλέσουν ανεπίτρεπτα αποτελέσματα, επειδή το αέριο που διαστέλλεται γρήγορα κάνει τα πράγματα κρύα, γεγονός που μπορεί να βγάλει τη βαλβίδα από το αποδεκτό εύρος θερμοκρασίας.

Οι μηχανικοί τρέχουν τα διαστημόπλοια μέσω μιας σειράς δοκιμών στο έδαφος, αλλά το περιβάλλον πτήσης μπορεί να ταιριάξει μόνο σε κάποιο βαθμό, εξήγησε ο Teufert.

«Μπορείς σίγουρα να ρίξεις κάτι στο τραπέζι του σέικερ και να κάνεις ένα [vibration] προφίλ, αλλά μπορεί να μην το κάνετε αυτό ενώ είστε επίσης υπό πλήρη πίεση και εκτεθειμένοι σε ατμούς οξειδωτικών, κάτι που συμβαίνει κατά την πτήση», είπε. «Τα περισσότερα κέντρα δοκιμών, εάν βάλετε μια γεμάτη δεξαμενή τετροξειδίου του αζώτου σε ένα τραπέζι σέικερ, θα σας πουν όχι «όχι» αλλά «διάολε όχι».

Στο τέλος της ημέρας, οι μηχανικοί αντιμετωπίζουν έναν απίστευτα μακρύ κατάλογο τρόπων αστοχίας και πρέπει κάποια στιγμή να καθορίσουν την εμπιστοσύνη τους στις δοκιμές. Επιπλέον, δεν είναι ασυνήθιστο για τις

εταιρείες

να καταναλώνουν όλο το περιθώριο του χρονοδιαγράμματός τους με το σχεδιασμό, την προμήθεια και την κατασκευή, αφήνοντας το τμήμα δοκιμών με τη μεγαλύτερη πίεση χρονοδιαγράμματος.

«Όταν έχετε τζίρο εσωτερικά και όταν εργάζεστε με ένα σωρό διαφορετικούς προμηθευτές, μπορεί να είναι πολύ εύκολο να μην δοκιμάσετε επαρκώς, να χάσετε μερικά από αυτά τα ζητήματα», είπε ο Bonin.

Μπορεί να είναι δελεαστικό να σκεφτείτε, γιατί να μην προσθέσετε μια πρόσθετη βαλβίδα, έτσι ώστε αν δεν ανοίξει κάποια, να υπάρχει εφεδρική; Αλλά η προσθήκη δύο βαλβίδων (ή οποιωνδήποτε πρόσθετων υποσυστατικών) μπορεί να δημιουργήσει εντελώς νέους τρόπους αστοχίας που δεν θα είχατε ποτέ με μία βαλβίδα.

Το άλλο ζήτημα είναι η εφοδιαστική αλυσίδα. Παρά τους σχετικά μεγάλους όγκους διαστημικών σκαφών που προέρχονται από το πρόγραμμα Starlink του SpaceX, το Kuiper της Amazon, το

OneWeb

και το σύνολο των αναδυόμενων διαστημικών

startups

, τα υποσυστατικά διαστημικών σκαφών απέχουν ακόμη πολύ, πολύ μακριά από τη μαζική παραγωγή.

«Στον πυρήνα του, το πρόβλημα είναι ότι το διάστημα δεν είναι μια μαζική αγορά», είπε ο Bonin. «Όποτε κάποιος στην αεροδιαστημική μιλάει για μαζική παραγωγή, γελάω, γιατί κάνουμε πράγματα μερικές φορές σε ενδιάμεσο όγκο, αλλά δεν κάνουμε τίποτα που είναι πραγματικά μαζική παραγωγή. Επομένως, δεν είμαστε οι πελάτες υψηλής προτεραιότητας για αυτές τις εταιρείες». Ο Teufert απηχούσε αυτές τις σκέψεις, λέγοντας: «Ως βιομηχανία, βρισκόμαστε ακόμα στο σημείο να είμαστε χειροποίητα, χειροποίητα υλικά, αν είναι κάτι συγκεκριμένο για την αεροδιαστημική, και αυτό σίγουρα επεκτείνεται και στις βαλβίδες».

Λόγω των σχετικά μικρών όγκων του προϊόντος, η κατασκευή εξακολουθεί να είναι πολύ κατά παραγγελία, με πολλές βαλβίδες κατασκευασμένες σε πολύ μικρή σειρά για συγκεκριμένα συστήματα πρόωσης ή διαστημόπλοια. Αλλά η ικανότητα των προμηθευτών δεν είναι απαραιτήτως σταθερή με την πάροδο του χρόνου, επειδή η διαδικασία είναι τόσο μπουτίκ και βασίζεται τόσο πολύ στη γνώση των φυλών.

«Αν είναι κάτι που κάνουν μια μεγάλη, αληθινή μαζική παραγωγή ετησίως, έχουν εξαιρετικές διαδικασίες και καλά κατανεμημένες γνώσεις σχετικά με το πώς να κάνουν αυτήν τη βαλβίδα ή άλλο εξάρτημα αξιόπιστα με την πάροδο του χρόνου», είπε ο Teufert. «Ενώ η περίεργη μικρή αεροδιαστημική βαλβίδα που βγάζουν 10 το χρόνο για αυτήν την εξειδικευμένη αγορά, δηλαδή [made by] κάποιος που λέγεται Μπομπ, είναι στα 60 του και έχει το ένα πόδι στη σύνταξη. Τα φτιάχνει κάθε δύο χρόνια και μετά ο Μπομπ φεύγει, και όλη αυτή η φυλετική γνώση βγαίνει από την πόρτα γιατί δεν υπήρχε κανένας που να έρχεται κάτω από τον Μπομπ. Το έχω δει σε έναν τόνο εξαρτημάτων».

Χωρίς αμφιβολία αυτό δεν ισχύει για κάθε πρόγραμμα. για παράδειγμα, το περασμένο

καλοκαίρι

ο σχεδιαστής και κατασκευαστής βαλβίδων Marotta


ανακοίνωσε ότι παρέδωσε την 30.000η ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα CoRe


στο SpaceX. Αλλά σε άλλες περιπτώσεις, οι μικρότερες διαστημικές εταιρείες πρέπει να αντιμετωπίσουν μεγαλύτερα χρονοδιαγράμματα κατασκευής σε μικρότερους όγκους, να αγοράσουν εμπορικά από το ράφι ή να προσπαθήσουν να βρουν μια λύση στο εσωτερικό.

«Μπορώ να αγοράσω το ίδιο ανταλλακτικό δύο φορές, αλλά αν ο Jim έκανε το Part A και ο Joe το Part B, παρόλο που είναι ο ίδιος αριθμός ανταλλακτικού, είναι δραματικά διαφορετικής ποιότητας», είπε ο Bonin. Ή, αν ο επικεφαλής τεχνικός σας είχε μια κακή Δευτέρα, μπορεί να είχε παραλείψει ένα βήμα. Υπάρχει απλώς ανθρώπινο λάθος παντού σε αυτά τα πράγματα».