Ložiska na oběžné dráze
Většina problémů spojovaných s ložisky se týká fungování v pozemských podmínkách, ale jak je ovlivňuje jejich používání ve vesmíru, kde se jako součást nejrůznějších zařízení rovněž nacházejí?
Jev nestability klece u gyroskopů a kuličkových ložisek RWA (Reaction Wheel Assemblies, tj. sestavách reakčních kol) vytváří hluk a vibrace, které významně ovlivňují běžný provoz zařízení. Během několika posledních desetiletí se tak četné vesmírné mise, jako je Rosetta, GOES, Cassini, XMM-Newton aj., setkaly s řadou poruch, některé byly kvůli problémům s výkonem kuličkových ložisek dokonce přerušeny.
Zajímavý článek na téma „Jak (ne)gravitace ovlivňuje nestabilitu klece v sestavách reakčních kol a gyroložiskách“, přinesl server BearingNews. Společným jmenovatelem je problém nestability klece v ložiscích, připomínající tzv. motýlí efekt teorie chaosu. Jde o složitý, chaotický a těžko předvídatelný problém, který sužuje vesmírné mise po léta a způsobuje nákladné neúspěchy.
Kvalifikační výzva vesmírné sondy
Nabízí se otázka, zda může úspěšná kvalifikace gyroskopu nebo RWA zaručit stabilitu klece, jakmile je kosmická loď nebo satelit vypuštěn do vesmíru. Bohužel ne, a to ze dvou důvodů. První spočívá v samotné vnitřně chaotické povaze jevu nestability klece, kdy i drobné změny provozních podmínek (rychlost, tření atd.) nebo geometrie klece mohou způsobit její nestabilitu. Ke spuštění tohoto jevu přispívá mnoho parametrů a bez ohledu na to, jak rozsáhlá je kvalifikace, je téměř nemožné přesně předpovědět skutečný vývoj provozních podmínek nebo např. opotřebení.
Druhý důvod s tím přímo souvisí. Experimentální testy a kvalifikace ložisek obecně berou v úvahu přítomnost gravitační síly (nemohou ji ignorovat), a i numerické simulace ji zohledňují jako realitu. Ale jaký je vliv gravitace na stabilitu klece ložiska a co absence gravitace, kde experimentální testy nepomohou, protože gravitaci nelze nijak odstranit?
Je hmotnost klece skutečně zanedbatelná?
Pokud je však hmotnost klece v beztížném stavu zanedbatelná (pohybuje se kolem několika millinewtonů), jak by mohla tak slabá síla hrát významnější roli v měřítku kosmické lodi? Nestability v kleci pouze převádějí vznik koherentního mechanismu, který má tendenci exponenciálně zesilovat. Jakmile nestabilita nastane, vždy začíná extrémně klidnou situací. Tedy i nekonečně malá síla, jako je hmotnost klece, může ovlivnit její pohyb. To platí zejména při nízkých rychlostech nebo v přechodných režimech, kde kinetická energie klece nemůže generovat setrvačné síly větší než ty, které vytváří gravitace. Mechanismy podílející se na zrodu nestability proto nemohou fungovat, jsou omezeny hmotností klece, která má tendenci ji udržovat ve stabilním stavu.
Tato realita se mění se zvyšující se frekvencí otáčení ložiska. Klec podléhá své vlastní hmotnosti, jakmile odstředivé síly zesílí a hmotnost v porovnání s tím slábne, jako by přestala existovat. Je to přesně tento přechod, který zažívá klec ložiska, když se jeho rotační frekvence zvyšuje. S nárůstem kinetické energie klece gravitační síla postupně slábne vůči setrvačným efektům, až se nakonec stane zanedbatelnou. Teprve v tomto okamžiku lze pozorovat nestabilní povahu, pokud existuje.
Pozemské experimentální testy však nemohou předvídat potenciální tendenci k nestabilitě při nízkých a středních rychlostech. V praxi spadají cílové rozsahy otáček do standardního provozu RWA nebo gyroskopu s ložisky, ale v takových případech je předvídání poruchy na Zemi nemožné, ovšem s možnými katastrofálními následky.
Zmírnění rizika je možné
Současné výpočetní nástroje bohužel stále nejsou schopny přesně určit orientaci samootáčivé rychlosti ložiskové kuličky. Společnost Apo-Gee vsadila na inovativní výpočetní přístup schopný komplexně popsat, jak se kulička odvaluje a otáčí v jakémkoli druhu ložiska. Na základě hlubokého pochopení mechanismů, které ovlivňují nestabilitu klece, zkonstruovala nový design, tzv. klec Butterfly, jejíž stabilita byla experimentálně ověřena. Dokáže vyhodnotit riziko nestability spojené s jakoukoli klecí mimo pozemskou kvalifikaci, a zároveň vzít v úvahu vliv absence gravitace.
Metody vyvinuté Apo-Gee používají principy směřující opačným směrem než stávající nástroje, které využívají newtonovský formalismus založený na rovnováze sil a momentů. Základem tohoto přístupu je zcela nové kritérium rovnováhy, založené na výkonu, které bylo předmětem podrobné matematické demonstrace. Ve skutečnosti je však splnění tohoto kritéria ekvivalentní s Newtonovými zákony pohybu, nicméně na rozdíl od nich dává metodologie Apo-Gee možnost kompletně vypočítat kinematiku kuliček, což vede ke skutečné rovnováze kuličkového ložiska.
Christophe Servais
Foto: Apo-Gee
3
.gif)
