奇石乐助力空中客车Airbus防务及航天公司研发“猎户座”飞船服务舱


Fifty years after Apollo 11 landed on the moon, a new chapter in manned space flight is opening with the Orion spacecraft. This development is being driven ahead by NASA with support from the European Space Agency (ESA). On behalf of ESA, Airbus Defence & Space is developing the ESM service module for the Orion program. The propulsion unit and vitally important technical components are physically close together in the module – which means that intensive tests are essential. Kistler's measurement technology experts are supporting Airbus with piezoelectric pressure sensors to supply critical information about potentially hazardous pressure surges in the fuel pipeline.

Following exhaustive tests, the Orion spacecraft (Multi-Purpose Crew Vehicle or MPCV) is due to transport humans to the moon again in 2023. After this mission, manned flights with the MPCV could reach destinations such as Mars for the first time. The ESA's contribution is the ESM service module, which will sit directly below the crew capsule after Orion is assembled at NASA. The ESM houses the propulsion unit as well as the energy generation and control equipment, the air conditioning plant and vital technical components to supply water, oxygen and nitrogen.

This is the first time that NASA has placed its trust in technology from outside the USA for a mission-critical component. A key factor in NASA's decision was the success of ESA's Automated Transfer Vehicle (ATV), which can dock automatically with the International Space Station (ISS). ESA's participation also means that European astronauts will get the chance to be on board the next flight to the moon. Airbus Defence & Space, which was commissioned by ESA to develop and build the ESM service module, was already able to deliver the first ESM to the USA in November 2018. The module underwent extensive functional and stability testing in Bremen prior to delivery.

The ESM built by Airbus and ESA arrives at Kennedy Space Center
The ESM built by Airbus and ESA arrives at Kennedy Space Center

“阿波罗”11 号飞船登月时隔 50 年之后,“猎户座”飞船开启了载人航天历史上的新篇章。“猎户座”飞船计划由美国国家航空航天局 (NASA) 主导推进,欧洲航天局(ESA)提供支持。空中客车防务及航天公司Airbus Defence & Space 代表欧洲航天局负责研发“猎户座”飞船的 ESM 服务舱。在该服务舱内,推进装置紧邻许多重要的技术部件,这意味着必须进行大量的测试,确保服务舱设计上的安全性。奇石乐的测量技术专家利用压电式压力传感器,测量燃料管道中可能出现的危险压力冲击,获取到关键信息,助力 Airbus 的研发工作。

经过全面测试后,“猎户座”飞船(多用途载人飞船,简称 MPCV)预计将于 2023 年再次载人登月。在完成此任务后, MPCV 可实现载人航天飞行首次到达火星。“猎户座”飞船在 NASA 组装完成后,ESA 提供的 ESM 服务舱将直接安装在乘员舱之下。ESM 配备推进装置、发电和控制设备、空调,以及用于供应水、氧气和氮气的重要设备。

这是 NASA 首次在关键部件中采用美国以外的技术。NASA 作此决定的一个关键因素是 ESA 在自动运载飞船(ATV)方面的卓越表现,ESA 的 ATV 能自动与国际空间站(ISS)对接。ESA 的参与也意味着欧洲宇航员将有机会加入下一次登月飞行。空中客车防务及航天公司Airbus Defence & Space 受 ESA 委托,研发建造 ESM 服务舱,第一个 ESM 服务舱已于 2018 年 11 月交付至美国。在交付前,该服务舱在不来梅进行了全面的功能和稳定性测试。

精准监控燃料系统中的压力冲击

主推进装置包含一组航天飞机发动机,由八台中型 Aerojet Rocketdyne发动机和 24 台 Airbus 自主研发的小型发动机组成。测试时,空中客车Airbus 使用了推进检测模型(PQM),该模型只有 12 台小型发动机工作,而非实际的 24 台。ESM 服务舱的推进系统需要尤为详尽的测试,因为 ESM 中关系到机组人员生存的重要设备直接就在推进系统附近:在太空出现故障会造成致命后果。PQM模型本身不用于航天飞行,它完全是作为测试模型,确保不同环境中针对复杂技术的功能性测试时获取准确信息。

燃料阀中的压力冲击是一种特殊的危险源,因此必须提前对其进行严格检查。此类压力冲击由水锤效应(也称儒可夫斯基水头)引起。当打开或关闭阀门时,液体燃料会在一毫秒内出现压力波动,造成极速冲击。打开或关闭阀门的速度越快,压力冲击便越强。这种压力变化不得超过规定的值,因为压力冲击过大会损坏管道或其他关键部件。遇到最坏的情况时,甚至可能发生爆炸,因为快速压缩会点燃肼类(火箭燃料)。

为避免发生此类情况,实现阀门系统的精准调整,Airbus 在其测试中使用了奇石乐的压电式压力传感器。推进检测模型中共安装了 40 个 601C BA 00070.0 传感器,其测量范围为0至70bar,该系列传感器的晶体可在 -196℃ 至 350℃ 的温度范围内提供可靠且高度准确的信息。得益于内置放大电路技术(IEPE),无需安装额外电荷放大器,测试系统也可正常运行。测量使用同轴电缆,即可传输电压信号,也可进行供电。传感器体积小巧,直径仅 5.5 毫米,特别适合火箭发动机使用:传感器安装于推进装置内部,阀门的前端和后端,用于监测压力的快速变化。工程师可使用测量结果来验证其计算过程,并确保在任何情况下都不超过压力限值。如有必要,还可以进行调整。

可靠的测量结果保障月球之旅

空中客车Airbus 已向美国交付 PQM,包括传感器技术;NASA 正在对该测试模型进行进一步试验。与此同时,不来梅的工程师和技术人员已着手制造第二个 ESM 服务舱,因为服务舱在太空中只能使用一次。此外,空中客车防务及航天公司Airbus Defence & Space 又订购了 10 个压力传感器,用于对 Airbus 小型发动机进行进一步测试。未来,该公司还将有赖于奇石乐的传感器技术及丰富的经验。

尤其在载人航天飞行中,提前测试必不可少,这样才能做到 100% 确定实际航天飞行的一切事项都会按计划进行。因此,获得传感器技术和测量数据处理领域专家的支持非常重要。.'
Airbus D&S PQM 测试工程师 Florian Hasenknopf

 

奇石乐同样积极参与到合作中“我们的传感器能为载人航天飞行的安全可靠发挥关键作用,对此我们十分自豪。”奇石乐压力传感器产品经理 Ricardo Rodrigo 表示。