Wie halten sich Satellitenmotoren selbst kühl und geschmiert?

Es gibt nur ein normales Auto im Weltraum , aber es hat keinen Kolbenmotor – wie leftroundabout so hilfreich betonte, es ist ein Tesla, ein Elektrofahrzeug.

Aber auch ohne Kolbenmotoren gibt es bewegliche Teile im Weltraum, die geschmiert werden müssen, oft Teile von Elektromotoren. Es gibt ein NASA-Papier aus dem Jahr 1994 , das "die im Weltraum verwendeten Tribologiepraktiken" untersucht.

Tribologie ist ein Wort, das ich vor einer Minute gelernt habe. Laut Merriam-Webster ist es die "Studie, die sich mit dem Design, der Reibung, dem Verschleiß und der Schmierung von interagierenden Oberflächen in relativer Bewegung (wie in Lagern oder Zahnrädern) befasst" 1 , ^die den Kern Ihrer Frage ausmacht.

Meine wichtigste Erkenntnis aus dem Überfliegen des Papiers ist, dass es eine Vielzahl verschiedener Schmiermittel gibt und dass sie alle für längere Missionen / mehr Zyklen aufgefüllt werden müssen.

Die Hauptkategorien sind flüssige Schmierstoffe, einschließlich Fette, und feste Schmierstoffe; Letztere lassen sich in Film- und Lamellenschmierstoffe (kleine Partikel wie Graphit oder bestimmte Metallverbindungen) unterteilen. Sowohl Feststoffe als auch Flüssigkeiten haben unter den außergewöhnlichen Bedingungen im All ihre spezifischen (Nach-)Vorteile. Zitat aus dem Papier:

Flüssigschmierstoffe werden aus einem Vorratsbehälter nachgefüllt; Wenn ich das richtig verstehe, sind einige Systeme passiv, wie eine mit Flüssigkeit gefüllte schwammartige Struktur, während andere aktiv sind.

Festschmierstoffe können möglicherweise auch nachgefüllt werden, z. B. indem man eine Kugel in einem Lager gegen einen Käfig aus einem Verbundmaterial einschließlich des Schmiermittels reiben lässt. Diese Technik wurde "mit begrenztem Erfolg verwendet, um die Kugellager in den Turbopumpen des Space Shuttles zu schmieren".

Diese Turbopumpen (um das ursprüngliche zusammengesetzte Wort zu verwenden) gehörten wahrscheinlich zu den schwierigsten mechanischen Konstruktionsproblemen des Shuttles oder jeder anderen Rakete. Sie brauchten einige Überarbeitungen, bevor sie unter hoher Belastung oder anderen Belastungen zuverlässig genug waren. Diese Webseite bietet weitere Details:

Bei diesen Temperaturen und insbesondere in Gegenwart von flüssigem Sauerstoff funktionieren herkömmliche Schmiermittel nicht. Bei diesem Lager sorgen mit Bronze gefüllte Teflon(TM)-Einsätze auf dem Lager-Kugel-Separator für Schmierung durch einen Mechanismus, der als Festfilmübertragung bezeichnet wird. Wenn die Kugeln an den Einsätzen reiben, streifen sie einen dünnen Teflonfilm von DuPont ab, der dann auf den Kontaktpunkt zwischen den Kugeln übertragen wird.

"Wir hatten mit den Siliziumnitridkugeln in diesem Lager einen enormen Erfolg, der unsere Erwartungen übertraf", sagt Programmmanager John Price. „Das Siliziumnitrid ist härter, leichter und hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit. Dieses Design reduziert alle verschleißerzeugenden Mechanismen und erzeugt auch weniger Wärme.“

Nachdem ich nun gelernt habe, wie man Wikipedia-Bilder einbettet, schließe ich mit einem Bild von Siliziumnitrid-Kugellagern:

_{¹ Das Wort wurde erst 1966 von einem einzigen britischen Ingenieur, Peter Jost , geprägt, der erkannte, dass das, was bis dahin aus verschiedenen Blickwinkeln angegangen wurde, tatsächlich ein zusammenhängendes Thema für sich war. Er schrieb einen wegweisenden Bericht über die wirtschaftlichen Auswirkungen schlechter Schmierung, den Jost-Bericht . Das Konzept wurde schnell anerkannt, die britische Regierung gründete mehrere Forschungsinstitute, er wurde zum Commander of the Most Excellent Order of the British Empire ernannt , und der Rest ist Geschichte.}

Satelliten verwenden niemals Verbrennungsmotoren wie in Autos (offensichtlich haben sie Antriebsmotoren, die eine Verbrennung zum Zwecke der Positionserhaltung erfordern), sie verwenden meistens Solarenergie, und selbst lange Solarsonden verwenden entweder Solarenergie oder Kernenergie (wie der Voyager). 1), wenn das Sonnenlicht blockiert wird, verwenden sie Batterien, die durch die von den Solarzellen erzeugte überschüssige Energie aufgeladen werden. Die Schmierung, die in Raumfahrzeugen angewendet wird, ist nicht wie die, die wir in Autos und Getrieben verwenden. Sie verwenden Schmiermittel wie hydrostatische Schmierungund andere Festschmierstoffe, ihre Viskosität, ihr Druckfaktor und alle anderen Eigenschaften werden getestet, um an der Weltraumumgebung zu haften. (Dabei werden viele Tests durchgeführt.) Daher besteht keine Notwendigkeit für eine regelmäßige Überholung. Informationen zur Aufrechterhaltung der Temperatur eines Satelliten finden Sie hier

Hier gibt es einige Elemente, die es wert sind, berücksichtigt zu werden. Ein Teil der Geschichte hat mit dem Zweck der Motoren zu tun, die Sie möglicherweise in einem Satelliten oder Raumfahrzeug finden. Während der andere Teil damit zu tun hat, wie diese funktionieren. Kurz gesagt, die Motoren im Weltraum haben weniger bewegliche Teile, die ständig geschmiert werden müssen, und werden in der Regel ab und zu für ein paar schnelle Zündungen verwendet. Im Gegensatz dazu arbeitet der Motor eines Landfahrzeugs in der Regel ständig, und Reibung ist ein wichtiger Faktor, der überwunden werden muss.

Die Art von Motor, von der Sie in Ihrer Frage sprechen, unterscheidet sich grundlegend von der Art von Motor, den Sie in ein Raumfahrzeug einbauen könnten .

In Autos und den meisten Fahrzeugen auf der Erde neigen wir dazu, Hubkolben-Verbrennungsmotoren zu verwenden. Diese fangen die Energie einer Explosion ein und wandeln sie in eine lineare Hin- und Herbewegung um (über die Bewegung von Kolben, nach oben und unten oder von einer Seite zur anderen). Die Kolben sind mit einer speziellen Welle verbunden, die die lineare Bewegung in Rotation versetzt. Die rotierenden Teile drücken dann gegen etwas, wie den Boden oder die Luft (im Fall eines Propellers), um das Ding in Bewegung zu setzen. Jedes bewegliche Teil im Motor reibt auf irgendeine Weise an den Teilen, mit denen es verbunden ist, und kämpft bei jeder Bewegung gegen Reibung. Darüber hinaus machen all diese Explosionen die gesamte Umgebung ziemlich heiß, wodurch sich alle Metalle ausdehnen, was wiederum die Reibung erhöht. Ab einem bestimmten Punkt wird die Gesamtreibung zu hoch und das Ganze kann sich festsetzen. Wie Sie richtig bemerken,

Im Weltraum gibt es nicht viel, wogegen man sich wehren könnte. Stattdessen werden im Allgemeinen Raketentriebwerke verwendet. Sie verbrennen ihren Treibstoff und schleudern den erhitzten Inhalt in den Weltraum, was wiederum eine Schubkraft in die entgegengesetzte Richtung erzeugt. Eine Rakete hat im Vergleich zum Verbrennungsmotor nicht so viele mechanisch bewegliche Teile. Es kämpft nicht gegen Reibung, um Schub zu erzeugen.

Einige Leute haben Elektromotoren erwähnt. Um einen Satelliten an Ort und Stelle zu drehen, stellt sich heraus, dass Sie Reaktionsräder oder Steuerkreisel anstelle von Triebwerken verwenden können. Ähnlich wie bei diesem Gerät hier . Diese nutzen das Drehmoment aus, das durch Aufbringen von Kraft auf ein rotierendes Rad oder durch Ändern der Geschwindigkeit eines rotierenden Rads erzeugt wird, das verwendet wird, um die Ausrichtung des Satelliten zu ändern. Es gibt viele verschiedene Arten von Elektromotoren, aber im Allgemeinen benötigen diese keine Schmierung. Elektromotoren erzeugen immer noch Wärme, aber nicht annähernd so viel wie ein Verbrennungsmotor. Und bei kleinen gelegentlichen Bewegungen erwärmen sie sich möglicherweise nicht genug, um ein spezielles Kühlsystem zu rechtfertigen.

Für einen Satelliten braucht man etwas, das viele Jahre ohne Wartung oder Reparatur in der Schwerelosigkeit funktioniert. Kolbenmotoren werden daher nicht verwendet.

Um elektrische Energie zu erzeugen, sind Solarzellen viel besser, sie benötigen nur Sonnenlicht. Keine beweglichen Teile, keine Vibration, keine Schmierung, keine Probleme mit der Schwerelosigkeit, keine Flüssigkeitskühlung, kein Kraftstoffverbrauch und keine Abgase. Zuverlässigkeit, bewiesen durch Hunderte von Satelliten.

Die Anforderungen an Motoren (meiner Erfahrung nach wirklich Motoren) im Weltraum unterscheiden sich stark von den Anforderungen an Automotoren am Boden. Dies führt zu sehr unterschiedlichen Konstruktionen und sehr unterschiedlichen Schmierstrategien. Viele der Motoren haben eine niedrige Drehzahl und eine geringe Last, sodass die Schmierung kein Problem darstellt. Bei einem geostationären Satelliten dreht sich der Motor, der das Solarfeld dreht, einmal pro Tag. Für eine 15-jährige Mission sind das weniger als 6000 Umdrehungen insgesamt, weniger als Ihr Auto in einer Minute tun könnte. Alles ist sorgfältig ausbalanciert, so dass die Fluglage kaum gestört wird, sodass die Belastung des Motors sehr gering ist. Die Motoren, die die Antennen eines Satelliten mit niedriger Umlaufbahn steuern, müssen ihn möglicherweise in 90 Minuten einige Male schwenken, aber das ist im Vergleich zu vielen Bodensituationen immer noch sehr langsam.

Viele Satelliten haben Schwung- oder Reaktionsräder zur Lageregelung, die sich mit Tausenden von Umdrehungen pro Minute drehen. Sie müssen dies während der gesamten Lebensdauer des Satelliten ohne Bodeneingriff tun. Die, die ich kannte, hatten Reservoirs, die den Lagern langsam Schmiermittel zuführten, um das zu ersetzen, was verloren ging. Um die Zuverlässigkeit des Systems zu gewährleisten, wird viel sorgfältige Technik verwendet. Die Leistungsstufen sind klein, so dass das Aufheizen weniger ein Problem darstellt. Das Abführen von Wärme ist viel schwieriger, wenn keine Konvektion vorhanden ist.

Die wirkliche Antwort ist, dass es sich um ein ganz anderes Problem mit ganz anderen Lösungen handelt.

Bei extrem kalten Bedingungen wie dem WEBB-Teleskop wird die meiste Schmierung durch Trockenfilmschmiermittel bereitgestellt, da jedes Öl fest gefrieren würde.

Viele der Antworten hier sind fantastisch, um die eigentliche Frage zu beantworten, aber es ist erwähnenswert, dass es manchmal Elektromotoren auf Satelliten und Raumsonden gibt, die eine strenge Laufzeitbegrenzung haben, bevor sie zum Abkühlen im Leerlauf sitzen müssen.

Das vielleicht bemerkenswerteste Beispiel dafür ist überhaupt nicht im Weltraum, sondern auf dem Mars. Die Ingenuity-Drohne, die der Perseverance-Rover abgesetzt hat, kann nur etwa drei Minuten am Stück fliegen, bevor sie landen muss, damit die Motoren abkühlen können. In der dünnen Marsatmosphäre müssen die Motoren ziemlich schnell laufen, um genug Auftrieb zum Abheben zu bekommen, und es gibt nicht genug Luftstrom, um die dadurch erzeugte Wärme abzutransportieren, also werden die Motoren immer heißer, je länger sie laufen. Sie haben Beryllium-Kühlkörper, um die Laufzeit zu verlängern, aber sie können nur so viel tun, bevor sie gesättigt sind.

Dieses Problem verschlimmert sich im Marssommer, wenn sich die Luft erwärmt und dünner wird, was höhere Rotordrehzahlen und eine schnellere Motorerwärmung erfordert :

Bei dieser höheren Schleudergeschwindigkeit kann der Helikopter statt der zuvor 170 Sekunden nur 130 Sekunden am Stück fliegen, ohne Gefahr zu laufen, dass die Motoren überhitzen.

Im Weltraum ist es im Allgemeinen nicht erforderlich, irgendetwas mit dieser Art von Geschwindigkeit zu betreiben, daher ist dies weniger ein Problem, obwohl ein leerer Raum für die Kühlung noch schlechter ist als eine sehr dünne Atmosphäre.