Montaje de un arnés de cables para el espacio profundo

Nov 14, 2023

El Europa Clipper de la NASA realizará 44 sobrevuelos de Europa, la cuarta luna más grande de Júpiter, a partir de abril de 2030. Foto cortesía de la NASA

El arnés de cables del Europa Clipper consta de unos 2600 conductores y pesa 150 libras. Foto cortesía de NASA

Para ensamblar el arnés, APL construyó un accesorio a escala real que coincidía con las superficies curvas del cuerpo de la nave espacial. El arnés no se podía construir en un tablero de forma tradicional, porque estaría envuelto en una lámina de cobre. Foto cortesía de la NASA

En una sala limpia en APL, el arnés del módulo de propulsión de Europa Clipper se transfiere del accesorio a la nave espacial. Foto cortesía de la NASA

Un conjunto de sensores de instrumentos de plasma se carga en una cámara de vacío térmico para realizar pruebas en APL. La gran cantidad de cables visibles demuestra la compleja configuración de la prueba. Foto cortesía de la NASA

Un técnico ajusta las conexiones eléctricas del espectrómetro de masas del Europa Clipper. Foto cortesía de la NASA

Con casi 10 pies de ancho, la antena de alta ganancia del Europa Clipper enviará datos científicos a la Tierra y permitirá que los controladores terrestres envíen comandos a la nave espacial. Foto cortesía de la NASA

¿Cuál es el origen de la vida en la Tierra? ¿Hay vida en otros planetas?

Estas antiguas preguntas pueden finalmente ser respondidas cuando el Europa Clipper de la NASA realice 44 sobrevuelos de Europa, la cuarta luna más grande de Júpiter, a partir de abril de 2030. La nave espacial realizará un reconocimiento detallado de Europa e investigará si la luna helada podría albergar condiciones adecuadas para la vida. .

Ligeramente más pequeña que la Luna de la Tierra, Europa está compuesta principalmente de roca de silicato. Tiene una corteza de hielo de agua y probablemente un núcleo de hierro y níquel. Tiene una atmósfera muy delgada, compuesta principalmente de oxígeno. Su superficie está estriada por grietas y rayas, pero los cráteres son relativamente pocos.

Europa tiene la superficie más lisa de cualquier objeto sólido en el Sistema Solar. La aparente juventud y la suavidad de la superficie han llevado a la hipótesis de que existe un océano de agua debajo de la superficie, que posiblemente podría albergar vida extraterrestre.

La misión del Europa Clipper es averiguar si ese es el caso. El Laboratorio de Física Aplicada de Johns Hopkins (APL) en Laurel, MD, diseñó el cuerpo de Europa Clipper en colaboración con el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA en Pasadena, CA, y el Centro de Vuelo Espacial Goddard en Greenbelt, MD.

Con una altura de 10 pies y 5 pies de ancho, la nave espacial es un cilindro de aluminio lleno de electrónica, radios, tubos de bucle térmico, cableado y el sistema de propulsión. Con sus paneles solares y otros equipos desplegables guardados para el lanzamiento, Europa Clipper será tan grande como un SUV; cuando se extienden, los paneles solares hacen que la nave tenga el tamaño de una cancha de baloncesto. Es la nave espacial más grande de la NASA jamás desarrollada para una misión planetaria.

El Europa Clipper, que se lanzará en octubre de 2024, está equipado con nueve instrumentos para estudiar el interior y el océano, la geología, la química y la habitabilidad de Europa. Los instrumentos estarán protegidos de la radiación por un escudo de titanio y aluminio de 150 kilogramos. Los instrumentos son:

El cuerpo principal del Europa Clipper se completó y se entregó a JPL en junio. Durante los próximos dos años, ingenieros y técnicos terminarán de ensamblar la nave espacial antes de probarla para asegurarse de que pueda soportar el viaje a Europa.

La estructura principal consta de dos cilindros de aluminio apilados salpicados de orificios roscados para atornillar la carga de la nave espacial: el módulo de radiofrecuencia, los monitores de radiación, la electrónica de propulsión, los convertidores de potencia y el cableado. El subsistema de radiofrecuencia alimentará ocho antenas, incluida una enorme antena de alta ganancia que mide 10 pies de ancho.

La bóveda electrónica de servicio pesado, construida para resistir la intensa radiación del sistema de Júpiter, se integrará con la estructura principal de la nave espacial junto con los instrumentos científicos.

Dentro del cuerpo principal de la nave espacial hay dos tanques, uno para combustible y otro para oxidante, y la tubería que transportará su contenido a una serie de 24 motores.

La conexión de todos los instrumentos, paneles solares, equipo de comunicaciones y sistema de propulsión requiere mucho cableado. De hecho, el mazo de cables de la nave espacial consta de unos 2600 conductores y pesa 150 libras. Si se extendiera, recorrería casi 2100 pies, más del doble del perímetro de un campo de fútbol, ​​dice Jacklyn Perry, supervisora ​​de sección para el desarrollo de arneses en el Sector de Exploración Espacial de APL.

Diseñar un arnés de cables para una nave espacial interplanetaria es más desafiante que diseñar un arnés para un automóvil o incluso un avión.

Para empezar, está el problema de la radiación. Europa está en medio de los cinturones de radiación de Júpiter, dice Perry, quien se desempeñó como ingeniero principal para el arnés del módulo de propulsión de Clipper. Con cada órbita, la nave espacial estará expuesta a más y más radiación. Para poner su exposición en perspectiva, una radiografía de columna genera una dosis de radiación de menos de 0,2 rad. El mazo de cables del Clipper estará expuesto a 20 millones de rads.

Las partículas cargadas son otro problema. "Las partículas cargadas se acumulan en los aisladores, y un arnés de cables es un 85 por ciento de aislamiento", explica Perry, quien también ayudó a diseñar los arneses para la sonda solar Parker de la NASA, que actualmente está en órbita alrededor del Sol, y para la próxima misión Dragonfly, que planea aterrizar un helicóptero en la luna Titán de Saturno en 2034. "Esas partículas se acumularán hasta que, eventualmente, haya una descarga. En el mejor de los casos, las partículas se descargarán a tierra. En el peor de los casos, se descargarán en su cableado y apaga tus aparatos electrónicos.

"Se necesita mucho blindaje para evitar que eso suceda. Sin embargo, los materiales que [resisten la radiación] son ​​terribles en un ambiente cargado, y los materiales que no acumulan una carga simplemente se desmoronan en [altas dosis de radiación]. Estábamos entre la espada y la pared".

Finalmente, los ingenieros optaron por envolver el cableado con cinta de cobre y, en algunos lugares, incluso con plomo. "Eso no ayudó con nuestra masa total, pero ¿qué puedes hacer?" dice Perry.

Sin embargo, en el lado positivo, la envoltura de cobre también evitará posibles interferencias electromagnéticas entre las líneas eléctricas de la nave espacial y las líneas de telemetría.

También hubo que planificar las temperaturas extremas. El Clipper estaría expuesto a temperaturas que oscilan entre -235 y 100 C. "Ese es un gran rango para diseñar", dice ella. "Muchos materiales no están clasificados para esos extremos, por lo que hicimos muchas pruebas criogénicas".

Como todas las naves espaciales, el Clipper deberá soportar una vibración considerable durante el lanzamiento. "Afortunadamente, ya se habían calificado muchos materiales de misiones anteriores", dice Perry. "Sin embargo, si no teníamos esos datos, teníamos que hacer muchas pruebas para asegurarnos de que sobreviviría al lanzamiento".

Si bien la nave espacial terminada pasará por pruebas acústicas y de vibración antes del lanzamiento, los ingenieros de APL optaron por realizar sus propias pruebas de vibración solo en el arnés.

Del mismo modo, el impacto es otro factor que los ingenieros debían tener en cuenta. Para separar la nave espacial del cohete se requerirá una carga explosiva. "En la separación, el arnés experimentará una carga de choque de 6300 g a 10 000 hercios. Eso es un gran golpe", señala Perry. "Probamos todas las interfaces de nuestros conectores para asegurarnos de que no se desmoronarían. También probamos nuestros amarres".

Un desafío más es el control de la contaminación. Dado que la nave espacial estará equipada con varios equipos de imágenes, los ingenieros tuvieron que evitar la desgasificación de adhesivos, plásticos y lubricantes. "Horneamos todo nuestro cableado antes del ensamblaje, porque una vez que pones todas esas envolturas en el cableado, las moléculas tardarán una eternidad en filtrarse", explica Perry. "Después del ensamblaje, también horneamos el arnés terminado, ya que agregamos adhesivo y otros materiales".

Los ingenieros también necesitaban prevenir la contaminación biológica. Un tratado internacional que se remonta a los primeros días de la exploración espacial prohíbe a los países introducir microbios de la Tierra en otros mundos que puedan albergar vida. Durante el montaje, los ingenieros probaron regularmente el arnés para detectar contaminación biológica. Además, el arnés terminado se horneó a 116 C durante 25 horas. Una vez que el arnés estuvo esterilizado, los técnicos debían usar ropa de sala limpia para trabajar en él.

"¡Estábamos enmascarados antes de que fuera genial!" Perry bromea.

Con casi 10 pies de ancho, la antena de alta ganancia del Europa Clipper enviará datos científicos a la Tierra y permitirá que los controladores terrestres envíen comandos a la nave espacial. Foto cortesía de la NASA

Uno de los desafíos de diseñar y ensamblar el arnés de cables del Clipper no tenía nada que ver con la radiación extrema, el frío o los campos magnéticos. era geográfico. Con APL en la costa este, JPL en la costa oeste, y los paneles solares diseñados y construidos por Airbus en los Países Bajos, consultar con colegas no siempre fue fácil. Cuando son las 8 a. m. en la costa este, son las 5 a. m. en la costa oeste y las 2 p. m. en los Países Bajos.

"Hasta este proyecto, no me di cuenta de cuántas de las palabras que usábamos eran jerga específica de APL", admite Perry. "Si usaba una palabra para describir una parte o proceso específico, no era necesariamente la misma palabra que usaban nuestros socios, por lo que pasamos un par de meses tropezando con lo que queríamos decir frente a lo que ellos querían decir".

Una tecnología relativamente nueva, la realidad aumentada, fue fundamental para resolver problemas de diseño. "Por ejemplo, estábamos tratando de resolver un problema de arneses con uno de nuestros instrumentos. Había algunas restricciones complicadas de radio de curvatura y restricciones de manejo que necesitábamos resolver. Con la realidad aumentada, podíamos tener una conversación al respecto sin tener que volar con nadie. en cualquier lugar", dice Perry.

Para ensamblar el arnés, APL construyó un accesorio a escala real que coincidía con las superficies curvas del cuerpo de la nave espacial. "No pudimos construir el arnés en un tablero de forma, porque estaría envuelto", explica Perry. "Si lo envolviéramos plano y luego tratáramos de montarlo en esta configuración curva en la nave espacial, no habría funcionado. Necesitábamos envolver el arnés en la forma que tendría en la nave espacial".

La realidad aumentada también ayudó con el montaje. Los técnicos podrían usar teléfonos inteligentes o tabletas durante el ensamblaje para superponer imágenes del modelo CAD contra el ensamblaje in situ. Podían activar o desactivar diferentes arneses o paquetes cada vez que surgía una pregunta.

"A nuestros técnicos les encantó, y lo usaremos para misiones posteriores", dice Perry.

Después de hornear, el accesorio se montó en un carro hecho a la medida, que se colocó en su lugar y se elevó a su posición junto a la nave espacial. "El accesorio le dio a la nave espacial un 'abrazo de aire'", explica. "Luego, lo transferimos con cuidado del accesorio a la nave espacial. Nos detuvimos mucho para hablar sobre quién está haciendo qué y cuándo. Hubo mucha coordinación. Todos tenían roles asignados. Teníamos amarres preinstalados para recibir el arnés. ."