NASA のアルテミス計画は、月の地上基地と宇宙ステーションを設立するために、人類を月に送り返すことを計画しています。ゲートウェイとして知られるこの宇宙ステーションは、高度な多接合太陽電池の大規模アレイを使用して 60 キロワットの電力を生成する、電力および推進要素 (PPE) モジュールによって電力を供給されます。
PPE を確実に成功させるには、太陽光を再現し、各回路の性能を測定する高度なシミュレーションを使用して太陽電池アレイをテストすることが重要です。設計者 アングストロームデザインズ株式会社、ソーラーシミュレーターのヘッドは、ソーラーアレイの長さと幅に沿って多数の点に配置する必要があります。
このプロセスは通常、直線運動ステージで構成される自動化フレームを使用して実行されます。 PPE の太陽電池アレイは非常に大きいため、従来のアレイ サイズに合わせて構築された標準フレームでは、必要な垂直方向と水平方向の動きを提供できませんでした。
ベル・エバーマン は、Angstrom Designs のソーラー シミュレーター ヘッドで PPE のソーラー パネルをテストできるようにするカスタム モーション システムを設計、設計、製造しました。また、シミュレータ ヘッドが完全に校正されていることを確認するために、太陽電池規格に照らしてシミュレータの性能を校正および検証する I フォーメーション ガントリー ロボットも構築しました。
ここでは、モーション システムの特別な要件を満たすための機械的な課題について詳しく説明します。
Bell-Everman は最もコスト効率の高い設計を発見
初期の設計では 2 つの曲がるトラックが特徴で、1 つは地面に、もう 1 つはパネルの上部近くの高さ約 30 フィートでした。線路は LED ソーラー シミュレーター (3,500 ポンド) をサポートします。負荷 – 展開された 1 つのアレイをテストしてから、曲がり角を回って、巨大な足場構造の反対側にあるアレイをテストできるようになります。
しかし、このソリューションは I 字型ガントリーのように動作するため、特殊なベアリング システムが必要でした。これにより設計の複雑さが増し、高さと荷重の要件を考慮すると、プロジェクトはすぐに予算を超えてしまいました。
代替設計として、ベル・エバーマンは、X および Y 運動用の可動ベースと、ソーラー シミュレーターを 3 階建ての垂直タワーまで持ち上げるためのサーボ制御 Z を使用する運動システムを設計しました。このモバイル ロボット ガントリー設計は、最もコスト効率の高いオプションであり、システムの複雑さが大幅に軽減されました。
フレーム、モーションシステムは直立していなければなりません
ソーラー シミュレーターのペイロードにより、モバイル ロボット ガントリーのフレーム全体が多大な重量に耐え、シミュレーターの LED アレイをソーラー アレイと平行に保つ必要がありました。これには、サブフレームが荷物を吊り上げる力に耐え、地震が起きても転倒せずに耐えられることを確認するために、かなりの量の有限要素解析が必要でした。
また、完全に構築されたモーション システムは大きく、非常に狭いフロア プランで展開構造の端の周りを回転できなければなりません。
元々は PPE のパネルをテストするために構築されましたが、NASA は将来の宇宙飛行技術をテストするためにモーション システムを引き続き使用できます。
重いカンチレバーのリフティングハンドルに力がかかる
240 個のソーラー シミュレータ ヘッドは、バランスのとれた 3 つのピボット セグメントのパンタグラフィック モーフィング アレイ内に入れ子になっており、2 つの配置の間で移行します。グリッドと 6 × 6 フィート。グリッド。アレイが作動すると、モーション システムのフレームに高いモーメント力が加わります。
これらの力に対応するために、通常より重いリニア ベアリング レールと 8 インチのクロス ローラー ベアリングを使用しました。イーサネット通信とセグメントあたり 40 kW の電力を通過させるためのボア。
アレイとモーフィング構造は 3,500 ポンドの重さを表します。垂直タワーに片持ち荷重がかかるため、タワーにかかるモーメント荷重のバランスをとり、中性浮力に近い浮力を提供するためのカウンターバランスが必要です。
ペイロードと LED アレイを組み合わせた総移動量は 10,000 ポンドです。ドラムホイスト。垂直方向の動きを実現するには、単一の サーボベルトヘビーリニア Bosch Rexroth ドライブおよび大型の冗長ケーブルとともに使用されます。
カウンターバランス設計により、垂直ドライブの重量不均衡は 50 ～ 300 ポンドのみになることが保証されており、最大 600 ポンドの直線力に対応できる ServoBelt Heavy LoopTrack ドライブには十分な余裕があります。
また、カウンターバランスのおかげで、ドライブに障害が発生しても、この貴重な負荷が落ちることはありません。これらのケーブルをプーリーのリダイレクトに通すと、カウンターウェイトとペイロードを一緒に底部の停止位置から中間の高さまで上昇させることができます。
この興味深い完全に冗長なケーブル レイアウトにより、粗位置決めホイストの範囲全体にわたって完全な中立浮力が可能になります。
タワーは少しずつ建設されます
ソーラーシミュレーターの負荷を支える垂直タワーは、完全に建設されると 3 階建ての高さに達します。高すぎて建設現場の建物内に入らないため、塔は 3 つの部分に分かれて建てられました。
組み立てベイの低い天井内で下部セクションを完全な機能テストに使用できるように、短いカウンターバランス ケーブル セットを作成しました。
リフトが完成した垂直タワーを上昇する際、各セクションが接続されている部分の不完全性によって引き起こされる振動は、シミュレータのパフォーマンスと診断の品質に影響を与えます。当社のロングトラベルガントリーシステムと同様に、特別な多世代の接合方法を使用して各タワーセクションを接合しました。これらのユニバーサル スプライス ジョイントにより、スプライス間のスムーズな垂直方向の動きが可能になります。
移動のための Z 軸自動化
モーション システムの作動は、完全に自動化されている Z 軸移動を除いて手動で操作されます。このように宇宙に向かう太陽電池アレイは価値が高いため、アレイに損傷を与える可能性がある運動軸は手動で移動する方がはるかに良いです。
システムを保管場所から取り出すときや保管場所に入れるときなど、大きな移動の際には電動の牽引車がシステム全体を牽引します。システムを PPE 太陽電池アレイに近づけると、システムの車輪に取り付けられたレバー アームで微調整が行われます。正しい位置に到達すると、ネジ足が床に下がります。
火炎を避けるように設計された電気システム
シミュレータには 500 ワットの pLEDss ヘッドが 240 個搭載されているため、このプロジェクトの大きな課題は 120 kW を超える電力を管理することでした。
多くのブレーカーと分岐を備えた電気システムは、あらゆるレベルでショートが発生した場合でも過熱や火災を防ぐように設計されています。
校正システムは別です
アングストローム デザインズのプログラマブル LED ソーラー シミュレータ (pLEDss) が正常に動作することを確認するには、アイソタイプと呼ばれる太陽電池標準に対して校正する必要があります。
また、太陽電池アイソタイプを収容する I フォーマット ガントリーで構成される、PPE ソーラー シミュレーターのテスト用の校正システムも設計しました。
「Calibot」として知られるこの I フレーム ガントリー ロボットは、システムがいずれかのモーフィング位置にあるときに pLEDss ヘッドを校正できます。
Calibot が pLEDss テスターに操作されると、コントロール ボックスがリンクされ、ドッキング メカニズムが校正中に最適なスタンドオフ距離を維持します。 PPE シミュレーター システムと Calibot は両方とも NASA の同じ施設に保管されます。
パンタグラフィック モーフィング アレイは、それぞれ 80 個の pLEDss ヘッドを含む 3 つの小さなサブアレイで構成されます。各サブアレイには独自の端子ブロックとケーブルがあります。
各ヘッドの DC 電源には 220 VAC が供給され、より細い 18 ゲージの電源ワイヤの使用が可能になります。ハーネスの量が多いため、ブレーカー ボックスにつながる約 400 本のケーブルの重量とスペースを削減することが重要です。
初期の I フォーマット ガントリー設計に基づくと、2 つの太陽電池アレイ、床に設置されたケーブル トラック、ガイド システムを保持する支持足場の周囲で U ターンする必要がありましたが、電力供給のみの総コストはおおよそ次のように見積もられました。 20万ドル。
シンプルな延長コードを備えたモバイル ロボット ガントリー設計のおかげで、この出費は 6,000 ドルとわずか 150 フィートのケーブルに削減されました。
プロジェクト全体は、大型のトラックベースの I フォーマット ガントリーで達成できたはずです。しかし、Bell-Everman はモバイル ガントリー ロボットを使用して設計を簡素化し、システムの複雑さとコストを大幅に削減しました。
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