LUBRICANTES Y TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL ESPACIO
En el espacio, rara vez hay una segunda oportunidad. Los dispositivos de control de movimiento de precisión deben funcionar de manera confiable a pedido. Incluso después de una exposición a largo plazo al vacío, entornos de radiación y temperaturas extremas.
Los rodamientos lubricados son el núcleo de muchos de estos sistemas:
- Ayudando a desplegar paneles solares
- Desplegando cubiertas de seguridad
- Apuntando cámaras de misión crítica y otros sensores a objetivos de interés.
Un calentamiento de preción puede significar la diferencia entre un funcionamiento eficaz y basura espacial.
Selección de lubricación en el vacío del espacio
Los criterios de selección de lubricación típicos incluyen las cargas impuestas sobre los elementos rodantes. Además de sus velocidades y la compatibilidad química del lubricante y los elementos adyacentes. Las cargas, velocidades y tamaños de los componentes y espacios libres entre partes limitan la viscosidad aceptable de un lubricante. El diseño también debe considerar la migración de lubricante bajo carga.
La selección para la aplicación espacial añade a estos criterios la idoneidad del lubricante en la radiación. En el vacío, no sirve de nada enviar petróleo que se evaporará o se desintegrará antes de que concluya la misión. Además, la viscosidad de muchos lubricantes está fuertemente influenciada por la temperatura.
Considere el caso de Castrol Braycote 601EF, un lubricante aeroespacial ampliamente utilizado. El par de arranque a baja temperatura se probó de conformidad con ASTM D 1478. Los resultados muestran una variación de casi un factor de tres en once grados centígrados.
Una variación de esta magnitud sugiere que el control térmico de los lubricantes en general puede preparar el escenario para un buen desempeño o un sistema estancado. Esto es particularmente cierto para los lubricantes aeroespaciales.
Capa límite
La capa límite de lubricante entre los elementos rodantes es crítica para el rendimiento dinámico. Es donde las presiones extremas de las tensiones de Hertz se apoyan en capas minuciosamente finas del lubricante.
En un sistema lubricado, una capa límite está unida tanto a los elementos libres como a los fijos. Es decir, el rodamiento y la pista.
El calor se genera en esta capa por la acción de cizallamiento del deslizamiento combinado y la rotación de los elementos, y existe una respuesta fortuita. Las regiones de mayor cizallamiento experimentan el mayor calentamiento viscoso. A medida que aumenta la temperatura local, la viscosidad se reduce en consecuencia.
Un sistema frío típicamente experimenta pares de torsión menores que los pares de arranque. En más de un factor de dos cuando se considera el Braycote 601EF.
Si el sistema debe tolerar el almacenamiento en frío o un arranque en frío, como lo debe hacer la mayoría de los sistemas espaciales. Entonces el rodamiento y la pista pueden encontrarse recubiertos por un lubricante refrigerado. El lubricante puede variar en dureza de tipo jabón a tipo epoxi.
Aplicación de calor
El calentamiento de precisión de la pista de rodamiento es la solución ideal para un calentamiento continuo. Así como el precalentamiento bajo demanda de un mecanismo lubricado.
El calor mínimo aplicado casi siempre es ventajoso en aplicaciones espaciales. Allí, una sola fuente de alimentación finita debe generar la potencia adecuada para todos los sistemas de naves espaciales.
Al aplicar calor a la pista de rodamiento, generalmente la única superficie accesible cargada de lubricante, la viscosidad del lubricante en la capa límite adyacente a la pista de rodadura puede reducirse preferentemente. Esto permite un movimiento deslizante inicial entre los elementos de rodadura y la pista.
Los montajes típicos de los rodamientos de presión o de bloque de almohada pueden impedir la aplicación de calor directamente a la pista del rodamiento, pero dichos mecanismos de montaje pueden tener el material adecuado para permitir que los calentadores incorporados, como los de tipo cartucho, depositen el calor necesario en la estructura de soporte.
Durabilidad del lubricante
La durabilidad de un lubricante es una consideración de diseño importante. Particularmente en aplicaciones espaciales. Dos aspectos de la durabilidad son igualmente vitales:
- La descomposición del lubricante mismo
- La migración del lubricante lejos de la interfaz del rodamiento.
Descomposición del lubricante
La primera preocupación, la descomposición, se aborda principalmente a través de la selección de materiales y las condiciones de funcionamiento.
El aceite de motor ordinario se descompone en gran medida debido a las altas temperaturas. Así como el producto de combustión soplado en el motor. Aunque los sistemas espaciales rara vez son tan calientes como un motor de combustión interna y la descomposición térmica no es una preocupación.
La descomposición de la radiación puede ser de interés. Particularmente en entornos de misiones donde hay radiación penetrante e ionizante. Por ejemplo, Júpiter, el Sol o los cinturones de Van Allen.
Dependiendo del tipo de lubricante, el daño por radiación puede tender a aumentar la viscosidad debido a la reticulación no deseada de las moléculas. O puede escindir enlaces primarios, descomponiendo el lubricante y volviéndolo más fluido.
El primer tipo de daño es más típico en los aceites. Lo que significa que la menor viscosidad deseada de un aceite está comprometida.
El segundo tipo se encuentra con mayor frecuencia en las grasas. Esto significa que se pierde la mayor viscosidad deseada de la grasa.
Ambos mecanismos de daño pueden dar como resultado un rendimiento térmico no previsto para el lubricante. Cambian la temperatura de funcionamiento deseada del sistema para compensar la variación de viscosidad inducida por la radiación.
Cualquiera que sea la aplicación, es esencial comprender la reactividad del lubricante con los materiales en contacto. Esto incluye la reacción primaria del lubricante base con metales, cerámicas o polímeros que encontrará. Así como la reacción de productos secundarios a través del uso ordinario o la descomposición de la radiación. La amplia gama de posibles lubricantes, aditivos y materiales de sustrato prácticamente requiere pruebas de durabilidad de nuevas configuraciones.
Control de la migración del lubricante
El otro componente importante de la durabilidad del lubricante, especialmente en aplicaciones espaciales, es el control de la migración del lubricante. A medida que se mueve un mecanismo de rodadura, el lubricante naturalmente se exprime fuera del área de contacto. Por lo tanto, un reabastecimiento adecuado es fundamental. Esto permite que la capa de lubricación persista y realice su tarea.
Esto significa mantener el lubricante lo suficientemente suave como para mecharse o extenderse, y lo suficientemente firme como para no correr ni tener fugas.
El control térmico del sistema lubricado es crítico para mantener este equilibrio. Pueden ser necesarios métodos mecánicos tales como barreras protectoras para atraer el lubricante.
La exposición al fuerte vacío del espacio evaporará cualquier molécula con presión de vapor no trivial. Estas moléculas más cortas y livianas tienden a disminuir la viscosidad de un lubricante. Por lo tanto, muchos fabricantes aspirarán productos de desgasificación al vacío antes de caracterizar las propiedades.
Incluso después de la desgasificación, los lubricantes pueden ser una fuente de polímeros volátiles. Incluso pequeñas cantidades pueden comprometer los componentes de los sistemas ópticos u otros sensores.
Las excursiones de alta temperatura pueden provocar eventos de liberación de gases no deseados. Además de arriesgar la migración masiva del lubricante, y debe evitarse. Un sistema de calefacción confiable y del tamaño adecuado proporciona el calor necesario y evita fugas térmicas. Un calentador con control termostático redundante es óptimo.
Avances en lubricación
Los avances en lubricación en las últimas dos décadas han sido considerables. Las grasas de ciclopentano multi-alquiladas (MAC), como Nye Rheolube 2000, son una adición importante a las opciones de diseño. En muchas aplicaciones, pueden ser un competidor directo de las grasas de polialfaolefina (PAO) tradicionales. Por ejemplo, el Castrol Braycote 601 mencionado anteriormente.
.Estas formulaciones MAC generalmente exhiben una vida útil mucho más larga que un sistema PAO equivalente. Pero a costa de un rango de temperatura funcional más reducido.
Las aplicaciones espaciales llevan a los sistemas de lubricación a un territorio desafiante, pero se pueden lograr diseños exitosos. El comportamiento del lubricante se puede mejorar sustancialmente, y se puede lograr el éxito de la misión, mediante una estrategia de gestión del calor bien diseñada que utilice calentamiento aplicado con precisión.
Selección de lubricantes para la atmósfera de Marte
Durante el desarrollo de un espectrómetro infrarrojo de barrido destinado a estudiar la atmósfera de Marte, un mecanismo de accionamiento de larga duración quedó bajo escrutinio debido a problemas de la vida útil del lubricante.
Se había venido empleando el lubricante Braycote 601 de base PAO. Debido a la alta proporción de reducción requerida entre el actuador del motor de pasos y el rendimiento, se cuestionó un espejo infrarrojo recubierto de oro, los rodamientos que soportan el eje del motor de pasos y se evaluó un lubricante MAC de mayor duración, el Rheolube 2000.
El estudio de durabilidad descalificó a Braycote, y el Rheolube fue la opción de diseño restante. El entorno orbital de Marte tiene un riesgo mínimo de radiación. La temperatura de solidificación más alta de Rheolube se mitigó calentando la estructura de montaje del motor de pasos. Con sondas térmicas desplegadas en el propio motor.
Se realizaron extensas pruebas de durabilidad a temperaturas extremas. Incluyendo arranque tanto en extremo frío como caliente con voltaje operativo extremo. Seguido por el desmontaje del mecanismo para determinar el comportamiento del lubricante.
Se observó una migración típica. No se encontró escasez de lubricante y las barreras protectoras en los rodamientos funcionaron correctamente. Aunque el mecanismo contenía tanto Rheolube 2000 como Braycote 601EF en rodamientos vecinos, no se observó contaminación cruzada.
Este esfuerzo es característico de una filosofía aeroespacial de riesgo operacional mínimo garantizado por el diseño y la prueba de los supuestos del peor de los casos, seguido de una estrategia de mitigación para garantizar que tales condiciones no se puedan lograr en la misión. En este caso, el calentamiento no operativo garantiza un rendimiento adecuado de los rodamientos.
En este ejemplo, el diseño térmico se convirtió en el habilitador del diseño mecánico. Así que el hardware de control térmico se convirtió en la clave del éxito de la misión.