La technologie des roulements magnétiques permet le contrôle environnemental pour l’exploration spatiale humaine

Jun 16, 2023

L'exploration spatiale nécessite des technologies robustes, fiables et durables, en particulier pour les systèmes critiques pour la sécurité humaine utilisés dans le cadre de missions prolongées. Alors que les systèmes critiques en matière de sécurité s'appuient traditionnellement sur des solutions simples, fiables et éprouvées, des gains significatifs en termes de performances et de SWaP (taille, poids et puissance) peuvent être réalisés en tirant parti des vastes améliorations de la puissance de calcul et de la fiabilité de l'électronique. au cours des dernières décennies.

Ces avancées ont réorienté l’attention vers les contrôles numériques et logiciels, permettant des changements progressifs en termes de performances. Les anciens systèmes hydrauliques ou pneumatiques sont remplacés par des systèmes électriques et les moyens mécaniques de contrôle du débit, tels que les vannes, sont remplacés par des moteurs à vitesse variable.

Ce changement d'électrification et d'optimisation est mis en évidence par certaines des améliorations récentes des contrôles environnementaux sur la Station spatiale internationale (ISS). La composition de l’atmosphère respirable doit être gérée et les traces de contamination doivent être réduites à des niveaux acceptables.

Le système d'épuration du dioxyde de carbone à quatre lits (FBCO2), actuellement en développement et en test avancé sur l'ISS, est la dernière itération du système d'élimination du CO2. Le système FBCO2 aspire l'air de la cabine et sépare l'eau et le CO2, qui peuvent ensuite être réutilisés à d'autres fins ou évacués comme déchets. Au sein du système FBCO2, le ventilateur/circulateur Calnetix In-line est le mécanisme qui entraîne le flux d'air à travers le système.

Le système de ventilateur en ligne, qui comprend un ventilateur compact sur roulements magnétiques et un double contrôleur intégré, exploite un moteur à aimant permanent (PM) à grande vitesse variable et un système de roulement magnétique actif (AMB) actif à cinq axes. Ce système représente un changement radical vers l’électrification et l’optimisation. Les solutions précédentes d'élimination du CO2 utilisaient des roulements passifs à feuille de gaz qui faisaient flotter le rotor sur une couche de gaz une fois que le rotor tournait.

Bien qu'il s'agisse d'une solution simple du point de vue des contrôles et qu'elle ne nécessite aucune électronique pour gérer le système de roulements, les roulements à gaz peuvent être sensibles aux contaminants présents dans le flux d'air du processus, sont sujets à l'usure avec de nombreux cycles de démarrage/arrêt et nécessitent une pression minimale du gaz de processus. et la vitesse du rotor pour fonctionner. À l’inverse, les AMB nécessitent des commandes électroniques et logicielles relativement complexes, mais peuvent fonctionner à des vitesses très élevées, offrir une durée de vie considérablement améliorée sans limites mécaniques sur les cycles, sont tolérants aux particules contaminants présentes dans le flux d’air du processus et peuvent fonctionner lorsqu’ils sont exposés au vide.

Le principal défi de conception consistait à installer le nouveau ventilateur à roulement magnétique dans le même espace que le ventilateur traditionnel à roulement à gaz. Le système AMB avec capteurs de position et roulements de secours a dû être miniaturisé pour s'adapter à un espace très contraint.

Pour faire circuler l'air ambiant à travers le système FBCO2, le ventilateur exploite une turbine radiale en porte-à-faux tournant jusqu'à 60 000 tr/min. Depuis la turbine, le flux est dirigé à travers le boîtier et autour de la section moteur située au centre. En gardant le moteur efficacement étanche au flux de processus, les composants du moteur et des roulements sont protégés de l'érosion ou de l'accumulation de contaminants.

Le flux de processus autour de la cavité du moteur et des roulements magnétiques assure également le rejet de chaleur pour la gestion thermique du stator. Les roulements de secours fournissent une fonction de secours mécanique en cas de charges de choc dépassant la capacité de charge des roulements magnétiques, ou à chaque fois que le système de roulements magnétiques actifs subit un défaut ou une perte de puissance.

Pour tirer parti du système de roulements magnétiques sans friction, le moteur PM peut fonctionner à des vitesses très élevées, offrant ainsi une densité de puissance volumétrique et gravimétrique améliorée. Le rotor PM à montage en surface à flux radial utilise un manchon en fibre de carbone pour assurer la rigidité dynamique du rotor et la rétention de l'aimant tout en offrant une perméabilité améliorée. Avec la dérive comme seul mécanisme majeur de perte, un moteur comme celui-ci peut dépasser 98 % d’efficacité.

Du point de vue des contrôles, l'AMB est nettement plus complexe que les anciens roulements mécaniques ou les roulements à air. Des capteurs de vitesse et de position dans le stator sont utilisés pour déterminer la vitesse et l'orientation du rotor. Les actionneurs électromagnétiques fournissent la force nécessaire pour centrer le rotor, contrecarrer les charges dynamiques et maintenir la position du rotor en toute sécurité avec cinq axes de contrôle. Des aimants permanents peuvent être utilisés pour polariser le système AMB afin de compenser les charges statiques et de réduire le courant de commande.