Śnieg zapewnia czystość podczas misji kosmicznych

Nawet najmniejsze cząsteczki kurzu lub resztki produkcyjne mogą wpływać na wydajność satelitów. Dlatego w produkcji muszą być spełnione ekstremalnie wysokie wymagania dotyczące czystości. (Źródło zdjęcia: OHB System) / Since even tiniest grains of dust or particles of manufacturing residues can impair the performance of satellites, extreme high cleanliness requirements have to be fulfilled. (Photo credit: OHB System)

Do czyszczenia struktur CFRP satelitów – tutaj z zintegrowanym wiązkem kabli i komponentami termicznymi – OHB System i acp opracowały rozwiązanie, które umożliwia potwierdzenie czystości podczas procesu czyszczenia. (Źródło zdjęcia: OHB System)

Dzięki dwóm laserom wbudowanym w głowicę dyszy można optymalnie ustalić odległość od wewnętrznych powierzchni do czyszczenia. (Źródło zdjęcia: OHB System) / Thanks to the two laser pointers integrated into the nozzle head, the optimal distance away from the inner surfaces to be cleaned can be set. (Photo credit: OHB System)

Das Baffle wird per Kran auf der Gabel des Reinigungsautomaten platziert. Durch die Integration eines Kamerasystems in den Düsenkopf ist der komplette Reinigungsprozess live auf dem Monitor sichtbar. (Bildquelle: acp systems) / The baffle is placed on the fork of the cleaning machine by crane. A camera system integrated into the nozzle head displays the entire cleaning process live on the screen. (Photo credit: acp systems)

Obracany głowica dyszy jest zamontowana na lancie, przez otwory której odsysane są usunięte zanieczyszczenia. Dowód czystości jest zapewniany przez liczniki cząstek zintegrowane z przepływem powietrza wywiewnego. (Źródło zdjęcia: acp Systems)

Gdy chodzi o wydajność satelitów i ich skuteczne wykorzystanie w przestrzeni kosmicznej, nawet najmniejsze cząsteczki pyłu lub fragmenty produkcyjne mogą mieć decydujące znaczenie. Globalny gracz w międzynarodowym przemyśle kosmicznym korzysta z technologii strumienia śniegu quattroClean jako rozwiązania do czyszczenia wewnętrznego powlekanych struktur baffle i CFK, z lub bez zintegrowanego wiązki kabli, umożliwiając jednoczesne potwierdzenie efektu czyszczenia.

Rodzinna, notowana na giełdzie grupa kosmiczna i technologiczna OHB SE jest jednym z trzech głównych graczy w europejskim przemyśle kosmicznym. Podzielona na działy Space Systems, Aerospace i Digital, zatrudnia około 2800 pracowników. Jako największa spółka zależna, OHB System AG z siedzibą w Bremie i drugim oddziałem w Oberpfaffenhofen posiada ponad czterdzieści lat doświadczenia w rozwoju zaawansowanych technologii dla przemysłu kosmicznego i innych dziedzin, przy czym materiały kompozytowe, takie jak CFK, odgrywają kluczową rolę. Do portfolio produktów i usług firmy należą realizacje kompletnych systemów satelitarnych do obserwacji Ziemi, nawigacji, telekomunikacji, nauki i wywiadu, a także opracowywanie i realizacja misji badawczych kosmosu oraz rozwój systemów dla astronautyki. Jako firma systemowa, OHB System współpracuje z wiodącymi krajowymi i międzynarodowymi przedsiębiorstwami, aby łączyć technologie w nowe rozwiązania.

Spełnianie i potwierdzanie wysokich wymagań czystości

Dotyczy to również technologii czyszczenia. Ponieważ nawet minimalne fragmenty produkcyjne mogą zakłócić wydajność misji, za którą firma ponosi odpowiedzialność. „Dlatego też przed jedenastoma laty uruchomiliśmy dział czystości i kontroli zanieczyszczeń. Obecnie zajmuje się nim jedenastu ekspertów, którzy dbają o czystość na każdym etapie procesu, inżynierię zanieczyszczeń, potwierdzanie czystości, symulację zjawisk przenikania zanieczyszczeń oraz czyszczenie w sektorze wysokiej klasy”, relacjonuje Dr Axel Müller, główny ekspert ds. kontroli zanieczyszczeń w OHB System. W 2016 roku rozpoczęto wewnętrzną kwalifikację technologii strumienia śniegu CO2 jako metody czyszczenia w przemyśle kosmicznym. Dotyczyło to czyszczenia wiązek kabli i elementów struktur CFK o średnicy około 2000 x 2000 mm, pokrytych specjalną, pochłaniającą światło czarną powłoką. Tak zwany baffle umożliwia kierowanie tylko światła wykrywanego lub żądanych informacji obrazowych do elementów optycznych, takich jak lustra, soczewki i detektory. „Na przykład, jeśli podczas startu wibracje spowodują, że na lustro trafią pojedyncze cząstki, powstają refleksy świetlne, które zniekształcają obraz i mogą oznaczać niepowodzenie misji”, wyjaśnia Müller. „Naszym wyzwaniem jest nie tylko czyszczenie baffle od wewnątrz bez uszkodzeń, tak aby nie było tam cząstek większych niż dziesięć mikrometrów, ale także potwierdzenie tego. A ten proces jest zwykle bardzo pracochłonny, czasochłonny i kosztowny.” Na bazie skalowalnej technologii strumienia śniegu quattroClean od acp systems AG opracowano wspólnie odpowiednie rozwiązanie czyszczące, które zintegrowano w klasie czystości ISO 3.

Cztery efekty dla ultra czystych powierzchni

Sucha technologia quattroClean wykorzystuje ciekły, klimatycznie neutralny dwutlenek węgla jako medium czyszczące, który jest prowadzony przez bezzużyciową dwuskładnikową dyszę pierścieniową. Podczas wydostawania się z dyszy, dwutlenek węgla rozpręża się do drobnego śniegu CO2, który jest skupiany przez oddzielny, pierścieniowy strumień sprężonego powietrza i przyspieszany do prędkości naddźwiękowej. Dobrze skupiony strumień śniegu i powietrza tworzy podczas uderzenia w czyszczoną powierzchnię kombinację efektów termicznych, mechanicznych, rozpuszczalnikowych i sublimacji. Współdziałanie tych czterech mechanizmów skutecznie i powtarzalnie usuwa cząstki zanieczyszczeń aż do submikrometrowej wielkości oraz filmowe zanieczyszczenia. Krystaliczny dwutlenek węgla sublimuje podczas procesu, pozostawiając powierzchnie suche.

Czyszczenie w klasie czystości z bezpośrednim potwierdzeniem czystości

W przeciwieństwie do CO2, które po czyszczeniu pozostaje w stanie gazowym, usunięte zanieczyszczenia i pyły nie rozpuszczają się. To skłoniło ekspertów ds. czystości do pomysłu, aby potwierdzenie czystości przeprowadzać równocześnie z czyszczeniem. „Podczas czyszczenia obiekt jest otoczony strumieniem czystego powietrza, który celowo odprowadza usunięte zanieczyszczenia z obiektu do odsysania. W tym strumieniu powietrza zintegrowaliśmy licznik cząstek, który na żywo pokazuje, ile cząstek i jakiego rozmiaru jest obecnych”, relacjonuje Müller. Klasa czystości powietrza jest mierzalnie pogarszana przez aktywność. Pomiar liczby cząstek na jednostkę objętości pozwala wykazać, że po przerwaniu procesu czyszczenia CO2, czystość w pomieszczeniu szybko wraca do wymaganego poziomu. Następnie rozpoczyna się kolejny etap czyszczenia. Podczas niego, pozostałe zanieczyszczenia w liczbie i rozkładzie wielkości są ciągle redukowane przez efekt czyszczenia i dokumentowane. Cykl czyszczenia i regeneracji powtarza się tak długo, aż baffle spełni wymagania dotyczące czystości, dotyczące dopuszczalnego poziomu pozostałych zanieczyszczeń lub rozkładu cząstek. „Z tego, co wiem, technologia strumienia śniegu quattroClean jest jedyną metodą czyszczenia, która pozwala na podgląd efektu na żywo”, dodaje Müller.

Skomplikowany automat do czyszczenia

Na podstawie tych wyników i uzyskanej kwalifikacji rozwiązania czyszczącego do zastosowań kosmicznych, acp zaprojektowało automatyczny system czyszczenia do wewnętrznego czyszczenia dużych, już w pełni zmontowanych, półzamkniętych struktur CFK trzech różnych baffle w wersji High Purity. Obejmuje on m.in. przygotowanie mediów do ciekłego dwutlenku węgla, zapewniające czystość na poziomie 99,995 procent, a jakość sprężonego powietrza wynosi 1.2.1.

Do 125 kg ważące baffle w kształcie odwróconej szlachetnej piramidy są mocowane na płycie interfejsowej i za pomocą dźwigu umieszczane na widelcu urządzenia. To urządzenie może poruszać się w osiach X, Y i Z. Aby osiągnąć dostęp do wszystkich wewnętrznych powierzchni elementów o maksymalnych wymiarach 1600 x 1600 x 2000 mm, dysza z obrotowym zakresem strumienia wchodzi w baffle na lancę, skanuje go falami i obraca się podczas tego procesu. Podczas czyszczenia, powietrze wewnątrz baffle jest odsysane, a zawarte w nim cząstki są lokalizowane i oceniane pod kątem wielkości i ilości, aby określić skuteczność czyszczenia.

Kontrola kolizji za pomocą cyfrowego bliźniaka

Kolizje, które mogłyby uszkodzić struktury CFK, muszą być wykluczone podczas czyszczenia. Jednocześnie konieczne jest zapewnienie, że każdy obszar jest czyszczony zgodnie z wymaganiami. Sekwencje ruchów muszą być zatem indywidualnie zdefiniowane dla każdego baffle. „Proces ten odbywa się za pomocą cyfrowego bliźniaka, który odwzorowuje urządzenie, element i proces czyszczenia, a także wynik czyszczenia”, wyjaśnia Müller. Do pomiaru odległości głowica dyszy jest wyposażona w czujnik ultradźwiękowy i dwa lasery punktowe. Dzięki zintegrowanemu systemowi kamer, podczas czyszczenia można na bieżąco oglądać obraz na żywo. Potwierdzenie czystości odbywa się za pomocą liczników cząstek zintegrowanych z systemem odciągu powietrza. „Dzięki temu urządzeniu, które prawdopodobnie jest unikalne na świecie, możemy czyścić komponenty dziesięć tysięcy razy dokładniej niż wcześniej. I to z dużą oszczędnością czasu oraz znacznie wyższym poziomem bezpieczeństwa i powtarzalności procesu”, kończy Müller.