Многие исследовательские направления в нашей Солнечной системе холодны и требуют оборудования, способного выдержать сильный холод. Во время миссий NASA температура на южном полюсе Луны может резко упасть в течение лунной ночи. На спутнике Юпитера - Европе - температура никогда не поднимается выше -162 градусов по Цельсию на экваторе.
Один из проектов NASA разрабатывает специальные механизмы, способные выдерживать экстремальные температуры во время полетов на Луну и за ее пределами. Обычно при экстремально низких температурах шестерни и корпус, в котором они заключены, называемый коробкой передач, нагреваются. После нагрева смазка помогает зубчатым колесам правильно работать и предотвращает хрупкость и, в конечном итоге, поломку стальных сплавов. Команда проекта NASA Bulk Metallic Glass Gears (BMGG) создает материал из «металлического стекла» для коробок передач, которые могут работать и выдерживать экстремальные холода без нагрева, требующего энергии. Работа в холодных и темных условиях в настоящее время ограничена из-за доступной мощности марсохода или посадочного модуля.
Редукторы BMGG без подогрева снизят общую мощность, необходимую для операций марсохода или посадочного модуля, таких как наведение антенн и камеры, перемещение роботизированных манипуляторов, обработка и анализ образцов и мобильность (для марсохода). Энергия, сэкономленная с коробкой передач BMGG, может продлить миссию или позволить использовать больше инструментов.
Команда недавно провела испытания механизмов в Лаборатории реактивного движения NASA в Южной Калифорнии. В Лаборатории экологических испытаний JPL инженеры установили двигатель и коробку передач на регулируемую балку, предназначенную для измерения реакции объекта на сотрясение или сильный удар. Затем члены команды использовали жидкий азот для охлаждения шестерен примерно до -173 градусов по Цельсию. Далее, они выпустили цилиндрический стальной снаряд по балке, чтобы имитировать «удар». Ударное испытание необходимо для проверки - не сломается ли аппаратное обеспечение космического корабля во время событий, вызывающих внезапный толчок, таких как срабатывание антенны или спуск и посадку корабля. Тест имитировал поведение массивных металлических стеклянных шестерен при сборе образца реголита в течение лунной ночи, которая длится примерно 14 дней на Земле, или при развертывании научного инструмента в нашей Солнечной системе.
«Прежде чем NASA отправит оборудование, сделанное из новых материалов, в чрезвычайно холодную среду, мы хотим убедиться, что они не будут повреждены стрессовыми событиями, которые постоянно происходят во время миссии», - сказал Питер Диллон, менеджер в JPL. «Это ударное испытание моделирует нагрузки при входе, спуске и приземлении, а также возможные наземные операции».
Перед каждым ударным испытанием член команды заливал жидким азотом двигатель и коробку передач, находящиеся в «ведре». Жидкий азот, который кипит при -196 градусов по Цельсию опустил температуру коробки передач ниже -173 градусов по Цельсию. Далее жидкий азот вылился, и в течение нескольких секунд стальной ударник выстрелил в балку, на которой были установлены двигатель и редуктор. Затем команда запустила двигатель для приведения в действие коробки передач, чтобы определить, повредило ли ударное событие коробку передач и ее двигатель. Команда контролировала электрический ток, необходимый для запуска двигателя, и прислушивалась к любым нерегулярным звукам, указывающим на повреждение. Мотор и коробка передач были дважды испытаны на удар в трех разных направлениях. Каждое испытание показало, что шестерни могут выдержать «ударную нагрузку» при температуре до -173 градусов по Цельсию.
«Это захватывающее событие, поскольку оно демонстрирует как механическую стойкость массивного металлического стеклянного сплава, так и конструкцию коробки передач», - сказал Диллон. «Механизмы могут помочь в проведении потенциальных операций в течение лунной ночи, в постоянно затененных лунных кратерах, в полярных регионах на Луне и в океанских мирах».
В следующем году команда BMGG проведет дополнительные испытания при низких температурах, чтобы подготовить механизмы для использования в будущих миссиях NASA.