深宇宙用ワイヤーハーネスの組み立て

Nov 14, 2023

NASA のヨーロッパ クリッパーは、2030 年 4 月から木星の 4 番目に大きな衛星であるエウロパのフライバイを 44 回実施します。写真提供: NASA

Europa Clipper のワイヤー ハーネスは約 2,600 本の導体で構成され、重量は 150 ポンドあります。写真提供: NASA

ハーネスを組み立てるために、APL は宇宙船本体の曲面に一致する実物大の固定具を作成しました。 ハーネスは銅箔で包まれるため、従来のフォームボード上に構築することはできませんでした。 写真提供：NASA

APL のクリーン ルームで、Europa Clipper の推進モジュール ハーネスが治具から宇宙船に移されます。 写真提供：NASA

プラズマ機器センサー アセンブリは、APL でのテストのために熱真空チャンバーにロードされます。 目に見える多数のワイヤは、テストの複雑なセットアップを示しています。 写真提供：NASA

技術者が Europa Clipper の質量分析計の電気接続を調整します。 写真提供：NASA

幅約 10 フィートのヨーロッパ クリッパーの高利得アンテナは科学データを地球に送信し、地上管制官が宇宙船にコマンドを送信できるようにします。写真提供: NASA

地球上の生命の起源は何ですか? 他の惑星にも生命は存在するのでしょうか？

これらの長年の疑問は、2030年4月からNASAのエウロパ・クリッパーが木星の4番目に大きな衛星であるエウロパのフライバイを44回実施することで、ついに答えられるかもしれない。探査機はエウロパの詳細な偵察を行い、氷の衛星が生命に適した条件を保てるかどうかを調査する予定である。 。

地球の月よりわずかに小さいエウロパは、主にケイ酸塩岩でできています。 それは水と氷の地殻とおそらく鉄とニッケルの核を持っています。 大気は非常に薄く、主に酸素で構成されています。 表面には亀裂や筋が入っていますが、クレーターは比較的少ないです。

エウロパは、太陽系の固体の中で最も滑らかな表面を持っています。 見た目の若さと表面の滑らかさから、水の海が地表の下に存在し、おそらく地球外生命体が住んでいる可能性があるという仮説が生ま​​れました。

ヨーロッパ クリッパーの使命は、それが事実かどうかを確認することです。 メリーランド州ローレルにあるジョンズ・ホプキンス応用物理研究所（APL）は、カリフォルニア州パサデナにあるNASAのジェット推進研究所（JPL）およびメリーランド州グリーンベルトにあるゴダード宇宙飛行センターと協力して、ヨーロッパ・クリッパーの機体を設計した。

高さ 10 フィート、幅 5 フィートのこの宇宙船は、電子機器、無線機、サーマル ループ チューブ、ケーブル、推進システムが詰め込まれたアルミニウム製のシリンダーです。 太陽電池アレイやその他の展開可能な機器を打ち上げのために収納すると、ヨーロッパ クリッパーは SUV と同じくらいの大きさになります。 太陽電池アレイを拡張すると、宇宙船はバスケットボール コートほどの大きさになります。 これは、惑星ミッションのためにこれまでに開発されたNASAの宇宙船の中で最大のものです。

2024年10月に打ち上げ予定のエウロパ・クリッパーには、エウロパの内部と海洋、地質学、化学、居住性を研究するための9つの機器が装備されている。 機器は150キログラムのチタンとアルミニウムのシールドによって放射線から保護される。 楽器は次のとおりです。

ヨーロッパクリッパー本体は完成し、6月にJPLに納入されました。 今後 2 年間かけて、エンジニアと技術者は宇宙船の組み立てを完了した後、ヨーロッパへの旅に耐えられるかどうかをテストする予定です。

主な構造は、宇宙船の積荷にボルト留めするためのネジ穴が点在する、積み重ねられた 2 つのアルミニウム製シリンダーで構成されています。これらには、高周波モジュール、放射線モニター、推進電子機器、電力変換器、配線が含まれます。 無線周波数サブシステムは、幅 10 フィートの巨大な高利得アンテナを含む 8 つのアンテナに電力を供給します。

木星系の強力な放射線に耐えるように構築された頑丈な電子保管庫は、科学機器とともに宇宙船の主要構造に統合されます。

宇宙船の本体内部には 2 つのタンク (1 つは燃料用、もう 1 つは酸化剤用) と、その内容物を 24 基のエンジンに運ぶチューブがあります。

すべての計器、ソーラーパネル、通信装置、推進システムを接続するには、多くの配線が必要です。 実際、宇宙船のワイヤー ハーネスは約 2,600 本の導体で構成されており、重さは 150 ポンドです。 APLの宇宙探査部門でハーネス開発部門の監督を務めるジャックリン・ペリー氏によると、これを伸ばすと約2,100フィート（サッカー場の周囲の2倍以上）も走ることになるという。

惑星間宇宙船のワイヤー ハーネスの設計は、自動車や飛行機のハーネスを設計するよりも困難です。

まず第一に、放射線の問題があります。 クリッパーの推進モジュールハーネスの主任エンジニアを務めたペリー氏によると、エウロパは木星の放射線帯の真っ只中にあるという。 軌道を周回するたびに、宇宙船はより多くの放射線にさらされることになります。 被ばく量を大局的に考えると、脊椎 X 線で発生する放射線量は 0.2 rad 未満です。 クリッパーのワイヤーハーネスは2000万ラドにさらされることになる。

荷電粒子も別の問題です。 「帯電粒子は絶縁体の中に蓄積し、ワイヤーハーネスの絶縁率は 85% です」とペリー氏は説明します。ペリー氏は、現在太陽の周回軌道を周回している NASA のパーカー太陽探査機と、今後計画されているドラゴンフライ計画のハーネスの設計にも携わりました。 2034 年に土星の衛星タイタンに回転翼航空機を着陸させます。「これらの粒子は蓄積し、最終的には放電が起こります。最良のシナリオでは、粒子は地面に放電します。最悪の場合、配線に放電し、電子機器を吹き飛ばす。

「そのようなことが起こらないようにするためには、多くの遮蔽が必要です。しかし、[放射線に耐える]材料は帯電した環境ではひどいものであり、帯電しない材料は[高線量の放射線]で崩壊するだけです」 . 私たちは岩と難しい場所の間にいました。」

最終的に、エンジニアは配線を銅テープで包み、場合によっては鉛を巻き付けることを選択しました。 「それは私たちの総質量を助けることはできませんでしたが、どうすればよいでしょうか？」 ペリーは言います。

ただし、プラスの面として、銅ラップは宇宙船の電力線と遠隔測定線の間の潜在的な電磁干渉も防ぎます。

極端な気温も計画する必要がありました。 クリッパーは、-235 度から 100 度の範囲の温度にさらされることになります。「これは、設計するには大きな範囲です」と彼女は言います。 「多くの材料はそのような極端な環境では評価されていないため、私たちは極低温試験を何度も行いました。」

すべての宇宙船と同様に、クリッパーも打ち上げ中のかなりの振動に耐える必要があります。 「ありがたいことに、多くの資材は以前のミッションですでに認定されていました」とペリー氏は言います。 「しかし、そのデータがなかったら、それが打ち上げ後に生き残ることを確認するために多くのテストを行わなければなりませんでした。」

完成した宇宙船は打ち上げ前に音響と振動のテストを受けることになるが、APLのエンジニアはハーネスのみについて独自の振動テストを行うことを選択した。

同様に、衝撃もエンジニアが考慮する必要があるもう 1 つの要素です。 宇宙船をロケットから切り離すには爆薬が必要です。 「分離時には、ハーネスには 10,000 ヘルツで 6,300 g の衝撃荷重がかかります。これはかなりの衝撃です」とペリー氏は述べています。 「私たちはすべてのコネクタ インターフェイスをテストして、簡単にバラバラにならないことを確認しました。また、固定具もテストしました。」

もう 1 つの課題は汚染管理です。 宇宙船にはさまざまな画像機器が装備されるため、技術者は接着剤、プラスチック、潤滑剤からのガスの放出を防ぐ必要がありました。 「組み立て前にすべての配線をベーキングしました。配線にすべてのラップを付けると、分子が漏れ出すまでに永遠に時間がかかるからです」とペリー氏は説明します。 「接着剤などを追加したので、完成したハーネスも組み立て後に焼き付けました。」

エンジニアは生物学的汚染を防ぐ必要もありました。 宇宙探査の初期に遡る国際条約は、各国が生命が生息する可能性のある地球上の微生物を他の世界に持ち込むことを禁止している。 組み立て中、エンジニアはハーネスの生物学的汚染を定期的にテストしました。 さらに、完成したハーネスを 116℃で 25 時間焼き付けました。 ハーネスが滅菌されると、それ以降、技術者はクリーンルーム用の服装を着用して作業する必要がありました。

涼しくなる前にマスキングしてました！ ペリーは冗談を言います。

幅約 10 フィートのヨーロッパ クリッパーの高利得アンテナは科学データを地球に送信し、地上管制官が宇宙船にコマンドを送信できるようにします。写真提供: NASA

Clipper のワイヤー ハーネスの設計と組み立てにおける課題の 1 つは、極端な放射線、寒さ、磁場とは何の関係もありませんでした。 それは地理的なものでした。 APL は東海岸、JPL は西海岸にあり、ソーラー パネルはオランダのエアバスによって設計および製造されているため、同僚と話し合うことは必ずしも簡単ではありませんでした。 東海岸では午前 8 時ですが、西海岸では午前 5 時、オランダでは午後 2 時になります。

「このプロジェクトに至るまで、私たちが使用する言葉の多くが APL 特有の専門用語であることに気づきませんでした」とペリーは認めます。 「特定の部分やプロセスを説明するために私が言葉を使用した場合、それは必ずしもパートナーが使用する言葉と同じであるとは限りませんでした。そのため、私たちは自分たちの意味と相手の意味について迷って数か月を費やしました。」

比較的新しいテクノロジーである拡張現実は、設計上の問題の解決に役立ちました。 「たとえば、私たちは機器の 1 つでハーネスの問題を解決しようとしていました。いくつかの難しい曲げ半径の制限と取り扱い上の制約があり、それを理解する必要がありました。拡張現実を使えば、誰も飛行機に乗ることなく、それについて会話することができます。」どこでも」とペリーは言います。

ハーネスを組み立てるために、APL は宇宙船本体の曲面に一致する実物大の固定具を作成しました。 「ハーネスを成形ボード上に構築することはできませんでした。ハーネスが包まれてしまうからです」とペリー氏は説明します。 「ハーネスを平らに巻き付けて、この湾曲した構成で宇宙船に取り付けようとしてもうまくいきませんでした。宇宙船に取り付ける形状に合わせてハーネスを巻き付ける必要がありました。」

拡張現実は組み立てにも役立ちました。 技術者は組み立て中にスマートフォンやタブレットを使用して、現場での組み立てに対して CAD モデルの画像を重ね合わせることができます。 質問が出てくるたびに、さまざまなハーネスやバンドルのオンとオフを切り替えることができました。

「当社の技術者はそれを気に入ったので、今後のミッションでも使用する予定です」とペリー氏は言います。

ベーキング後、治具は特注のカートに取り付けられ、車輪で所定の位置に取り付けられ、宇宙船の隣の位置まで持ち上げられました。 「この設備は宇宙船に『エアハグ』を与えました」と彼女は説明します。 「それから、私たちはそれを器具から宇宙船に慎重に移しました。私たちは何度も立ち止まって、誰がいつ何をするのかについて話し合いました。多くの調整が行われました。全員に役割が割り当てられていました。ハーネスを受け取るための固定具が事前に取り付けられていました」 。」