Jak přežít peklo při startu? Rok v European Space Agency (2)

3. 11. 2015 22:29:40
Teplotní i mechanické inferno, jež se rozpoutá při startu raketového nosiče, není sranda pro astronauty, okolí rampy, lidi v řídícím středisku, ale ani pro vlastní letový hardware. Proč satelity a sondy vypadají tak, jak vypadají?

Jedno je jasné - věci, co létají do kosmu, ať už je to "jen" na Zemskou orbitu nebo dále, jsou z estetického hlediska hnusné. Krabice, válce, koule a panelové placky spojené sem tam nějakou vzpěrou či žebrem, navrch zabalené do lesklé folie, získavajíc vzhled levné vánoční ozdoby. Minimálně pokud zůstaneme u nepilotovaných "plavidel".

Je to logické. I u nejfunkcionalističtějších věcí na Zemi se najde určitý prvek estetiky. Jsme emocionální živé bytosti a pokud s výrobkem mají přicházet lidé do kontaktu, musí se to projevit. To však neplatí pro naše nadpozemské výrobky. S těmi už máme kontakt pouze zprostředkovaný, formou jejich signálů a dat. Jejich design je tedy naprosto řízen cíli dané mise a systémy potřebnými ke splnění těchto cílů. Toto odvětví inženýrství se nazývá "System design" nebo "System engineering". Nemá vůbec smysl zacházet do detailů, jelikož ani sto článků by nestačilo. nehledě na to, že nejsem nejpovolanější osoba. Bez nadsázky můžeme ale toto odvětví označit jako určité umění.

Každá mise totiž začíná definováním jejích cílů, o čež se postará vědecká komunita (pokud jde o vědecké mise) nebo jednoduše "zákazník" (telekomunikační společnost..). Poté se musí sestavit předběžný návrh mise a předběžné návrhy (Preliminary designs) jednotlivých komponent. A tady nejde určitě o snadnou věc (hlavně proto, že požadavky jednotlivých systémů jsou většinou "proti sobě" a vývoj tak neprobíhá lineárně, ale iterativně) a toto uměni, je nyní velkým know-how právě ESA a ESTECu. Funguje zde totiž zařízení nazvané Concurent Design Facility (CDF). Zde, namísto toho, aby jednotliví odborníci "sériově" přeposílali svoji práci dalším, se sejdou všichni v jedné místnosti (Structural, Mechanical, Thermal, Telecomunication, Orbital dynamics, Electronic, a další druhy inženýrů a vědců včetně zástupců zákazníka) a paralelně v reálném čase navrhují design mise, případně již konkrétní SC. Unikátní je zde systém, jež všechna pracoviště a "moderátora" (často projektového manažera) propojuje a celá místnost vypadá velmi futuristicky s možností změnit prakticky jakoukoliv plochu na projekční "plátno". Zde zavření dělají svojí magii a pro představu zhruba po týdnu se otevřou dveře a inženýři pyšně vynesou svoje technické dítko :-) Následuje velmi dlouhá fáze výběru dodavatelů a jejich návrhů předběžných designů již jednotlivých komponent mise. V této fázi, jsem do několika projektů měl možnost vstoupit. Než přejdeme ke konkrétním věcem, podívejme se ale, co jsou kritické oblasti návrhu satelitů a sond z hlediska mechanického.

Je to start. Navzdory všeobecným předpokladům, prostředí oběžné dráhy nebo hlubokého vesmíru není o mnoho "drsnější", než na Zemi. Je spíše jiné a namísto atmosferických vlivů se musíte vypořádat s termálním cyklováním, roztažností materiálů či většími dávkami záření. Ale prvních několik minut startu je jedna z hlavních věcí, co určuje, jak bude sonda nebo satelit ze strukturálního hlediska vypadat.

Zatížení nákladu při zažehnutí motorů se dá rozdělit na statické zrychlení (to, co tlačí astronauty do sedadla) a dynamické zrychlení (vibrace). Nebezpečnější je pro náš náklad samozřejmě namáhání vibracemi. Každé těleso má totiž takzvané "vlastní frekvence" a jím přiřazené "vlastní kmity". Pokud buzení tělesa či konstrukce dosáhne těchto frekvencí, je zle. Ještě hůře, pokud by se sešly vlastní kmity dejme tomu nosiče a nákladu na stejné frekvenci (coupling).

Dynamické namáhání pak v tomto případě rozdělujeme na vibrace způsobené činností motorů, vibrace způsobené aerodynamickým chováním, akustické zatížení a rázové zatížení (pyropatrony, oddělení boosterů a jednotlivých stupňů nosiče). Toto všechno se musí důkladným způsobem analyzovat za pomoci mocné Metody Konečných Prvků. Ta je dobrý sluha, ale zlý pán. Můžete s její pomocí modelovat velmi složité struktury a zkoumat jejich odezvy na jakákoliv zatížení. Musíte si být ale extrémně jisti, co děláte a nároky na tyto modely a postupy s nimi spjaté jsou ve space sektoru daleko přísnější, než například v automobilovém průmyslu.

Vesmírný průmysl je velmi konzervativní ve všech směrech. Přecijen máme jen jeden pokus ;-) Když se zaměříme na materiály, dejme tomu, že nějaký vydrží 300 MPa cyklického napětí. V rámci bezpečnosti tuto hodnoty snížíte bezpečnostním faktorem (safety factor - SF) a ještě dalšími proměnnými na třeba 200 MPa. K této hodnotě se tedy v modelu nesmíte přiblížit. Byly zmíněny vlastní frekvence. Těm se většinou nedá vyhnout a minimálně na okamžik soustavu touto frekvencí budíte. Skutečná struktura je pak utlumena (energie se ztrácí ve tření, viskozitě atd..). Toto strukturální tlumení často není dopředu přesně známé, využívá se hodnot z minulých projektů, které ale musí být dostatečně malé, abychom si byli jistí. Další SF. MKP model je aproximací skutečnosti a v mnoha situacích napětí z něj získaná jsou vyšší, než skutečná. Další SF. Také záleží, kde jsou extrahována a konzervativní přístupy opět velí brát v potaz pouze nejvyšší hodnotu nehledě na okolí (například velký gradient na jednom elementu). Další SF. Nadimenzujete tedy strukturu tak, aby váš model 200 MPa nepotkal. Skutečné napětí v kritickém místě ale může být klidně poloviční nebo ještě méně. Vidíme tedy, že pokud bychom měli opravdu silné nervy, mohli bychom toho nejspíš vynést do kosmu o mnoho více. Ale u mise za desítky miliard korun si prostě chcete být jistí ;-)

Jak jsem již zmínil v prvním díle, většina času v mém oddělení v ESA byla věnována konzultacím s průmyslem. Pokud si z toho udělám trochu srandu, vypadá to zhruba takto:

- "Nazdar ESA, máme pro vás ty výsledky, všechno vychází a je to prostě krásný."

- "Čau firmo, to je super. My bysme se ale docela rádi koukli, jak jste to udělali, ve vašem reportu to není úplně jasný. Ukážete mi váš model?"

- "No když na tom trváte...ale musíte slíbit, že nám ho nikdo nevykouká."

- "Díky, podívejte tady jsme si tohle spočítali sami a vyšlo to docela jinak, pojďme se pobavit jestli jsme to podělali mi nebo vy."

- "Hmm no dobře..."

Tento paralelní přístup je samozřejmě časově náročný, ale přináší ovoce ve formě další bezpečnosti. Několikrát se opravdu stalo, že se nám podařilo objevit důležitou nesrovnalost a i naopak - přehodnotit některé naše postupy.

Celkově to byla z pracovního hlediska opravdu výborná zkušenost. Podílel jsem se na projektech jako EUCLID, James Webb Space Telescope, Proba 3, nebo aplikace 3D tisku kovů, ke kterým bohužel nemůžu uvést detaily, ale na stránkách ESA jsou téměř všechny veřejné informace. Znovu apeluji na každého, kdo možnost stáže v ESA nebo space průmyslu zvažuje - jděte do toho, litovat nemůžete!

Příště konečně o tom, jak se žije vesmírným nerdům v NL mimo práci!

Autor: Richard Hynek | úterý 3.11.2015 22:29 | karma článku: 19.41 | přečteno: 1213x

Další články blogera

Tato rubrika neobsahuje žádné články...

Další články z rubriky Věda

Dana Tenzler

Barvy v kuchyni (3) - přírodní červená

Blíží se Velikonoce. Napadlo vás někdy, čím se vlastně barví velikonoční vajíčka? Jakými přírodními nebo umělými barvivy se dá jídlo barvit dnes a jak tomu bylo v minulosti? (délka blogu 3 min.)

28.3.2024 v 8:00 | Karma článku: 13.16 | Přečteno: 129 | Diskuse

Zdenek Slanina

Problém co začal už Arrhenius: Kysličník uhličitý a doba ledová - a teď i sopečné aktivity

Už S. Arrhenius řešil vztah obsahu CO2 v atmosféře i k době ledové. Tehdy hlavně ukázal, že jeho navyšování v atmosféře povede k nárůstu její teploty. Nyní výzkumy z univerzity v Sydney ukazují na roli sopek v nástupu ochlazování.

26.3.2024 v 5:22 | Karma článku: 25.00 | Přečteno: 516 |

Martin Tuma

Berte Viagru, dokud si na to vzpomenete

Rozsáhlá studie odhalila významné snížení výskytu Alzheimerovi nemoci u pravidelkných uživatelů Viagry

25.3.2024 v 14:17 | Karma článku: 13.60 | Přečteno: 303 | Diskuse

Dana Tenzler

Barvy v kuchyni (2) - průmyslová žlutá

Blíží se Velikonoce. Napadlo vás někdy, čím se vlastně barví velikonoční vajíčka? Jakými přírodními nebo umělými barvivy se dá jídlo barvit dnes a jak tomu bylo v minulosti? (délka blogu 3 min.)

25.3.2024 v 8:00 | Karma článku: 14.44 | Přečteno: 189 | Diskuse

Dana Tenzler

Barvy v kuchyni (1) - přírodní žlutá

Blíží se Velikonoce. Napadlo vás někdy, čím se vlastně barví velikonoční vajíčka? Jakými přírodními barvivy se dá jídlo barvit dnes a jak tomu bylo v minulosti? První díl seriálu o barvách.

21.3.2024 v 8:00 | Karma článku: 18.12 | Přečteno: 293 | Diskuse
Počet článků 6 Celková karma 0.00 Průměrná čtenost 566

Výpočtář, designér, ESA trainee a fanda do kosmonautiky. Komentuji vědeckotechnické novinky i společenské dění.  

Smoljak nechtěl Sobotu v Jáchymovi. Zničil jsi nám film, řekl mu

Příběh naivního vesnického mladíka Františka, který získá v Praze díky kondiciogramu nejen pracovní místo, ale i...

Rejžo, jdu do naha! Balzerová vzpomínala na nahou scénu v Zlatých úhořích

Eliška Balzerová (74) v 7 pádech Honzy Dědka přiznala, že dodnes neví, ve který den se narodila. Kromě toho, že...

Pliveme vám do piva. Centrum Málagy zaplavily nenávistné vzkazy turistům

Mezi turisticky oblíbené destinace se dlouhá léta řadí i španělská Málaga. Přístavní město na jihu země láká na...

Velikonoce 2024: Na Velký pátek bude otevřeno, v pondělí obchody zavřou

Otevírací doba v obchodech se řídí zákonem, který nařizuje, že obchody s plochou nad 200 čtverečních metrů musí mít...

Kam pro filmy bez Ulož.to? Přinášíme další várku streamovacích služeb do TV

S vhodnou aplikací na vás mohou v televizoru na stisk tlačítka čekat tisíce filmů, seriálů nebo divadelních...