Un modo per limitare i costi consiste nell’ottimizzare la combustione del carburante durante il lancio, così da ridurre al minimo gli sprechi. Una valvola di interruzione del carburante appositamente concepita garantisce prestazioni ottimali in tal senso. Ad azionarla sono i solidi e affidabili servomotori di FAULHABER.
I moderni veicoli di lancio utilizzano il propellente per razzi RP-1, un tipo di cherosene ultra raffinato che per bruciare deve essere mischiato con ossigeno. Nel veicolo di lancio, dei tubi da 4" partono dai serbatoi di RP-1 e ossigeno liquido (LOX) per poi ricongiungersi prima di entrare nella camera di combustione.
La chimica della combustione dell'RP-1 non è critica. Senza ossigeno il propellente non brucia ma, finché è presente ossigeno, i due componenti non devono essere necessariamente combinati secondo un determinato rapporto. Tuttavia, il problema è che se il rapporto tra LOX e RP-1 varia rispetto alla miscela ottimale, l'ossigeno finirà prima del propellente o il propellente finirà prima dell'ossigeno. Ma non appena termina la combustione, ciò che resta diventa una zavorra indesiderata. Per garantire che ciò non avvenga, la valvola di interruzione del carburante regola la miscela in tempo reale.
Il dispositivo che regola il propellente è costituito da una valvola a farfalla azionata da un servomotore. Per ottenere la velocità e la coppia corrette, il design prevede un riduttore planetario per un rapporto di demoltiplicazione di circa 151:1, più un riduttore aggiuntivo all'interno dell'unità. Il team ha previsto un ampio margine di sicurezza per ciascuno dei componenti per proteggerli dai guasti comuni. L'albero del motore è collegato direttamente alla valvola per consentire regolazioni di precisione.
Condizioni operative estreme
A parte la precisione, le caratteristiche che la maggior parte delle applicazioni richiedono ai servomotori sono di solito una coppia elevata, alta velocità o dimensioni ridotte. Nel caso della valvola di interruzione del carburante, il requisito principale per i motori era semplice: dovevano sopravvivere al lancio. Urti e vibrazioni estreme si presentano soprattutto nel primo stadio. Nei circa 3 minuti di combustione di uno stadio del razzo, il motore genera una spinta di circa 440.000 kN, facendo sì che sulla valvola di interruzione del carburante situata nelle immediate vicinanze vengano esercitate forze immense.
Quando il team di progettazione ha iniziato a determinare le specifiche dei componenti per la valvola di interruzione del carburante, le prove di vibrazione hanno causato il guasto di un motore dopo l'altro. Per ridurre al minimo i punti deboli, si è scelto di passare dai motori a spazzola ai motori brushless. Il criterio fondamentale era se questo motore fosse in grado o meno di sopravvivere a tali condizioni operative. In altre parole, il riduttore doveva essere in grado di sopportare il carico e i sensori ad effetto Hall dovevano restare integri. In breve, in questo ambiente operativo estremo c'era spazio per gli errori. Mentre cercavano un produttore i cui motori fossero in grado di sopravvivere a queste prove, gli ingegneri si sono imbattuti in FAULHABER.
Ovviamente i motori dei razzi non producono solo vibrazioni ma anche calore. Tuttavia, contrariamente a quanto si potrebbe pensare, la gestione del calore non presenta sfide particolari in questa applicazione. La maggior parte del calore viene irradiato e dissipato. È interessante notare che il problema non riguarda le alte temperature, bensì le basse temperature. Per esempio, durante il funzionamento del secondo stadio è possibile che i motori si accendano solo brevemente. In questo caso il veicolo può procedere a motori spenti per un massimo di 45 minuti prima che inizi la seconda fase di combustione. A quel punto il razzo è al di fuori dell'atmosfera, dove le temperature possono essere piuttosto basse.
Per mantenere sotto controllo costi e tempi di produzione, la filosofia è quella di cercare di lavorare nella misura del possibile con componenti in stock. A FAULHABER non sono stati chiesti sforzi aggiuntivi per aumentare la robustezza in vista dell'applicazione: il team di progettazione ha semplicemente ordinato prodotti standard.
I progettisti hanno anche fatto ricorso al programma di creazione rapida di prototipi di FAULHABER e sono così riusciti ad ottenere i campioni richiesti in tempi molto brevi.
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