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Festhalten und loslassen: Die explodierenden Bolzen, die uns in den Weltraum bringen

2020

Aus dem Nebenzimmer kommt durch eine dicke Granitwand ein Tuckern-ein-Tuckern-ein-ein wie ein alter Dampfzug, der sich nähert . Um die Ecke sehe ich die Quelle des Schlägers: einen zitternden Tisch. Die lange Metallplatte ruckelt schnell hin und her. Darauf befinden sich in zwei ordentlichen Reihen ein halbes Dutzend rechteckiger Prismen, die mit Sensoren ausgestattet sind, die Druck und Bewegung messen. Jeder von ihnen hat einen Bolzen aus Titanlegierung, der so groß ist wie der Unterarm eines erwachsenen Mannes und ungefähr 10 Pfund wiegt. Wie die aufwändige Montage vielleicht andeutet, sind diese Schrauben etwas Besonderes.

Irgendwann wird diese bemerkenswerte Hardware in den Weltraum gelangen. Die Bolzen oder solche wie diese werden Teile des Orion-Raumfahrzeugs zusammenhalten, ein neues Fahrzeug, das irgendwann im nächsten Jahrzehnt die Menschen zum ersten Mal seit 1972 aus der erdnahen Umlaufbahn bringen wird - zunächst zum Mond und später auf Reisen zum Mars. Zuvor müssen die Verbindungselemente jedoch eine Scheinversion ihrer Reise überstehen. Nur schlimmer.

Das Zittern, das sie aushalten, ist nur der Anfang, der die Gewalt eines Abschusses simulieren soll. Die Teile trotzen auch dem Hämmern, Backen und Einfrieren - insgesamt 24 Tests. All dies, bevor Metall das Launchpad erreicht. Der Missbrauch stellt nicht nur sicher, dass die Bolzen massive Raumfahrtmaschinen zusammenhalten, sondern dass sie genau im richtigen Moment ordentlich auseinander brechen. Insbesondere werden sie explodieren und dabei Teile der Orion-Raketentechnik strategisch abwerfen.

Das Design, die Herstellung und die meisten Tests dieser brennbaren Hardware finden in einer alten Steinfabrik in Eastern Connecticut statt, in der Ingenieure seit mehr als einem Jahrhundert verschiedene Gegenstände mit pyrotechnischem Material vollgestopft haben. Der 200 Hektar große Campus aus braunem Stein, Granit und Ziegeln aus dem 19. Jahrhundert - ein Look, der Teil einer Fabrikstadt, Teil eines Colleges ist - ist die Heimat der Ensign-Bickford Aerospace & Defense Company (oder EBAD, denn was ist ein Rüstungsunternehmen ohne eine vage Bezeichnung? unheimliches Akronym?). EBAD ist eines von mehr als 2.000 Unternehmen, die Orions Schrauben und Muttern (sowie Keramik, Stoffe und Federn) für Lockheed Martin, den Hauptauftragnehmer der NASA, herstellen.

Die Komponenten von EBAD spielen in diesem Weltraum-Epos eine gewisse Rolle, aber die geschäftskritische Rolle des Unternehmens verleiht ihm eine übergroße Anziehungskraft. Von den 5, 5 Millionen Pfund Raketentechnik (kollektiv als NASA Space Launch System bekannt) und anderen Geräten, die Orion aus der Atmosphäre treiben werden, werden nur 20.500 - weniger als 0, 38 Prozent - auf die Erde zurückkehren. "Das Letzte, was wir tun wollen, ist, all das Zeug zum Mond und zurück zu bringen", erklärt Carolyn Overmyer, Lockheeds stellvertretende Managerin für die Orion-Mannschaftskapsel (auf der die Astronauten reiten). »Wir brauchen das Sprengsystem beim Mond nicht. Also, wohin geht es? Es trennt sich. Es ist ein Ereignis. Im Klartext: Zeug fällt ab.

Die explodierenden Bolzen sind der Katalysator in diesem Prozess, "zentral für unsere Mission", sagt Overmyer.

Bei einer vollständigen Orion-Reise zum Mond und zurück gibt es acht Trennungen. Eine der ersten tritt drei Minuten nach dem Start auf: Die Bolzen wurden neben explosionsgefährdeten, pulverlackierten Reißspalten, die als zerbrechliche Gelenke bezeichnet werden, gespalten, um die Lasten zu beseitigen, die Orion vom Boden abheben. Drei fast zweistöckige Paneele, sogenannte Verkleidungen, die das Fahrzeug vor dem Abheben schützten. "Eine 15 Fuß große Kaffeedose boomt ! Und fliegt einfach weg", sagt Overmyer und erinnert sich an das erste Mal, als sie sah, wie die Paneele während eines Testfluges vom Fahrzeug getrennt wurden. " sehr sehr schön."

Mit fortschreitender Mission werden mehr Systeme irrelevant und brechen ab. Das letzte, was zu tun ist, ist das Servicemodul, ein mülleimerförmiger Behälter, in dem alle Flüssigkeiten und Gase für die Mission untergebracht sind. Er hält die Orion-Kapsel während der gesamten 1, 3-Millionen-Meilen-Fahrt mit Hilfe von vier Befestigungselementen fest, die für genau diese Aufgabe hergestellt wurden. Wenn das Schiff, das die Besatzung trägt, wieder zur Erde zurücktaucht, spalten sich die Befestigungselemente und geben die Kapsel frei, die dann verbrennt.

Das Vorbereiten dieser Schrauben für ihren entscheidenden Moment - ihr perfektes Versagen - stellt eine Art Zen-Koan dar. Wie kann man eine Sache, die genau einmal funktioniert, vollständig testen? Wie entwirft man etwas, das scheitern muss, um seine Aufgabe zu erfüllen?

Ein Teil der Antwort ist in den mit Gewinde versehenen Befestigungselementen zu finden, die als Löse- und Haltebolzen bezeichnet werden und auf dem Tisch zittern und klappern. Von allen Hardwarevarianten, die EBAD für Orion entwickelt hat, müssen diese sowohl hier auf der Erde als auch im Weltraum die schwerste Folter erleiden. »Wir haben sie alle geschlagen«, sagt Steve Thurston, EBADs Manager für Testdienste, als er zuschaut, wie die heroischen Scheinwerfer wütend gegen die Tischbewegung rumpeln. Thurston dreht sich um und geht auf eine ruhigere Stelle zu und sagt leise, fast feierlich: »Es ist wirklich nicht fair zu den Teilen. Aber das ist der Punkt, um ihre Grenzen zu finden und den Umschlag zu verschieben

Draußen weicht ein morgendlicher Regen dem hellgrünen Beginn eines Herbsttages. Ein Fluss, der einst die EBAD-Werke versorgte, schlängelt sich durch den Campus. eine Otterfamilie hat sich niedergelassen. Es ist schwer, die Kulisse mit dem, was sich hinter den alten Steinmauern abspielt, in Einklang zu bringen: Weltraumzeitalter-Bolzen werden gestreckt (und zerdrückt und geschlagen und rasseln) bis an ihre Grenzen.

Simsbury, Connecticut, war lange vor dem Bürgerkrieg die Heimat von EBAD. Damals gab es überall in der Region Eisen- und Kupferminen und Granitsteinbrüche, was viel Graben und eine Menge Booms bedeutete. Die Methoden waren grob: Grabe ein Loch, fülle es mit Schießpulver, verstopfe es mit Ausnahme eines kleinen Raumes, um eine Sicherung (normalerweise Schnur oder Stoff) zu betreiben, zünde an, laufe. Männer starben zu Hunderten, oft, weil Dinge wehten, wenn sie es nicht sollten - meistens zu früh.

Im Jahr 1831 begannen sich diese Techniken zu ändern - verfeinert, vorhersehbar, sicherer. In der Stadt Cornwall in Old England, wo noch mehr Bergbau betrieben wurde als in New England, ließ ein Erfinder namens William Bickford die erste Sicherung patentieren. Bickford packte Schießpulver in ein hohles Juteseil, das dann mit einer vorhersehbaren Geschwindigkeit von etwa 30 Sekunden pro Fuß zischte. 1839 ging er eine Partnerschaft mit einem Bergbauunternehmen in Connecticut ein, um seine Brenner im US-Bundesstaat herzustellen und zu verkaufen. Ralph Hart Ensign trat 1870 bei. Später erweiterten seine Erben das Sprengstoffgeschäft des Unternehmens über Sicherungen hinaus und entwickelten Produkte wie eine Banker-Tasche, die rauchte, wenn ein Gauner daran manipulierte.

Dave Novotney, Leiter der Geschäftsentwicklung, führt mich schnell durch dieses Jahrhundert der Geschichte, während er sich einem entscheidenden Punkt nähert. Er schiebt sich von seinem Schreibtisch zurück und legt es auf den Tisch: „Wir sprengen die Dinge hier in die Luft. Wir sind sehr gut darin. Wir machen das schon lange. “Aber der Schlüssel, selbst zu Bickfords Zeiten, ist das Timing. Das Timing war und ist alles.

Denn niemand ist so ehrlich wie die Astronauten in einem kleinen Stück Metall, das mit einer Geschwindigkeit von 32.000 km / h durch den Weltraum rast. Das ist der Grund, warum bei Missionen mit Menschen fast paradoxerweise explosives Pulver an Dutzenden von Stellen im gesamten Fahrzeug gepflanzt wird. Es macht das, was Sie wollen, wenn Sie es brauchen.

Die NASA nennt diese Treibgase nicht „Sprengstoff“. Stattdessen handelt es sich um pyrotechnische Systeme oder Pyro, bei denen sogenannte Trennbolzen ein zentraler Bestandteil sind. Ein elektronischer Schalter, der als Betätiger bezeichnet wird, gibt eine Ladung an eine mit Gewinde versehene Brandschnur ab, die zum Befestigungselement führt. Das Ereignis ist in einem Bruchteil einer Millisekunde vorbei - ungefähr ein Millionstel eines menschlichen Auges.

Die Raumfahrtbehörde hat sich von Anfang an auf diese Art der schnellen Aktion verlassen, die auch bei Schleudersitzen und beim Waffeneinsatz üblich ist. Die Mercury-Missionen der späten 1950er und frühen 1960er Jahre experimentierten mit Pyro, wenn auch nicht immer mit hervorragenden Ergebnissen. Eine Fehlzündung der Notluke beim Aufspritzen während des Mercury 4-Fluges überflutete die Kapsel und hätte einen Astronauten fast ertränkt. Die NASA konnte durch das Gemini-Programm Mitte der 60er-Jahre, das neue Strukturen wie pyrotechnisch eingesetzte Fahrwerke hinzufügte, die Booms besser kontrollieren. Bei den Apollo-Missionen der späten 60er und frühen 70er Jahre übernahmen 210 Sprengstofftechnologien 24 mechanische Funktionen - von der Trennung der Mondlandefähre bis zur Freigabe von Fallschirmen für den Abstieg - auf den Schiffen, die die Menschen zuerst zum Mond brachten. EBAD lieferte Pyro für viele dieser kleinen aber feinen Zündungen.

Die Explosionen traten jedoch während des Shuttle-Programms in den Hintergrund. Die Weltraumflugzeuge stützten sich mehr auf motorisierte, wiederverwendbare Systeme - solche, die Anbaugeräte andocken und abdocken, einschließlich Weltraum-Astronauten. Motoren sind jedoch nicht perfekt, erklärt mir Stu McClung, ein NASA-Ingenieur, der an Orions Pyro arbeitet und fast zwei Jahrzehnte auf dem Shuttle verbracht hat. Sie sind einige Sekunden langsamer als Pyro, können ein paar Kilo schwerer sein und im schlimmsten Fall auch ausfallen. Deshalb bevorzugt er Detonationen immer noch als ausfallsicher. "Wenn jemals etwas schief gehen sollte, könnten wir es einfach zerbrechen und nach Hause fahren."

Für Satelliten und unbemannte Systeme, wie das James-Webb-Teleskop und den Asteroiden-Sampler OSIRIS-REx, bei denen sich Solaranlagen sanft entfalten müssen, besteht heutzutage ein zunehmender Bedarf an elektrischem Handeln. „Die gute Nachricht ist, dass Pyro-Systeme wirklich schnell reagieren. Novotney witzelt.“ Die schlechte Nachricht ist, dass sie wirklich schnell reagieren. “Auch traurig für unsere schleppenden Freunde: SpaceX-Gründer Elon Musk, dessen Ethos in der Wiederverwendbarkeit liegt, ist kein Fan von der Knall.

EBAD hatte sehr wenig Ausrüstung im Shuttle, und vor Jahren bemerkte Novotney, dass sich das meiste Raumfahrtgeschäft von Pyro abwandte. Orion ist jedoch ein Rückfall in die Zeit vor dem Shuttle - eine Zeit, die auf kontrollierte Detonation angewiesen ist - und eine Chance für das Unternehmen, seinen explosiven Vertrauensbeweis zu nutzen. Also bot Novotney an, eifrig ein einmaliges Fahrzeug zu fangen, bevor es vorbeiflog.

Jetzt sind er und ein Team von Ingenieuren etwas besessen von dem Versuch und Irrtum des Bolzenherstellens. Das Endergebnis ihrer Arbeit landet gelegentlich in Novotneys Büro, in einem gelben Eimer, in dem sich Scherben verbrauchter Verbindungselemente befinden, die er gern den Besuchern zeigt. Wenn man auf diesen Müll hinunterschaut, sieht es eher aus wie weggeworfenes, gefülltes Rohr als hochentwickeltes und endlos erprobtes, explodierendes Weltraummaterial. Ihre Aufgabe ist denkbar einfach, aber es dauert Jahre, bis sie perfekt sind: Zusammenbleiben, auseinander brechen, die Crew auf die Erde zurückbringen. »Es ist nicht so, dass Sie plötzlich Ihre Meinung ändern und Bruce Willis auf eine Rettungsmission schicken können«, sagt Novotney. »Du kommst nach Hause, und das war's.«

EBAD fertigt und repariert Orion-Hardware seit 2009 abwechselnd . Zu Beginn lieferte Lockheed unzählige Dokumente mit technischen Daten, erst einige hundert Seiten, dann mehrere tausend weitere. Trotzdem fing EBAD nicht bei Null an. Das Unternehmen gründete 1965 eine Abteilung für Raumfahrtnormen, um Spezialsicherungen herzustellen, und eine Handvoll anderer Unternehmen - selbst die NASA - fertigte seit den 50er Jahren Trennschrauben. So waren die breiten Anschläge durch die frühen aughts bereits dort draussen.

Um einen Bolzen zu perfektionieren, der bei Bedarf auch eindeutig unversehrt bleiben muss, müssen die EBAD-Ingenieure übermäßig viel Zeit auf die Schwachstelle der Hardware verwenden: die Bruchfläche, das Epizentrum des möglichen Bruchs. Lockheeds Overmyer vergleicht es mit gefaltetem Papier: „Wenn Sie es biegen, wird die Falte sehr stark, sodass sie an dieser Linie abbricht“, erklärt sie. Wenn sich die Hardware wie beim Start zu früh aufteilte, passierte dies hier. Auf einem Bolzen ist das Flugzeug eine hauchdünne Kerbe, die die Titanoberfläche ungefähr zwei Drittel von einem Ende entfernt umrundet. In den frühen Testtagen von EBAD für Orion haben die Designer an der Platzierung und Tiefe herumgespielt. Am wichtigsten war, dass sie es sorgfältig mit den internen Strukturen und Sprengstoffen gepaart haben, um jederzeit zum richtigen Zeitpunkt eine saubere Pause zu gewährleisten.

Während sie an ihrer Verfeinerung arbeiten, ändern sich die Regeln ständig. In der Mitte der Entwicklungsphase - nach mehr als einem Dutzend Bolzeniterationen und einigen Fahrzeugtests - stellte die NASA fest, dass das Orion-Servicemodul ernsthaft ernährt werden muss, um Platz für die Systeme zu schaffen, die das Leben der Menschen für die späteren beiden Systeme unterstützen -jährige Reise zum Roten Planeten und zurück. Etwa 3.000 Pfund mussten aus dem damals 49.000 Pfund schweren Fahrzeug verschwinden. Für EBAD bedeutete dies weniger, schwerere Schrauben. Anstelle von sechs Befestigungselementen, die fast die gesamte Reise durchhalten müssten, hätten sie vier, was etwa 25 Pfund spart. "Dies verursachte einige Kopfschmerzen", sagt Sean Keon, ein EBAD-Ingenieur, der das Design überwacht. Sie machten den Bolzen noch einmal von vorne und fügten etwas Umfang und eine Länge von ungefähr einem Viertel Zoll hinzu. Die Verbesserungen erlaubten es jedem, mehr als 100.000 Tonnen aufzunehmen, so dass Orion ohne Bedenken zwei verlieren konnte.

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Das Team bearbeitet die Bolzen nach genauen Vorgaben; Wenn ihre Maße um mehr als 1⁄1.000 Zoll abweichen, sind sie nicht gut. Der eigentliche Trick beim Bau dieser herkulischen Verbindungselemente ist jedoch nicht, sie zu bauen. Es ist Test für Test für Test. Neben dem Shaker-Tisch durchlaufen alle Teile Versuche, die Versionen der Extreme der Mission simulieren. EBAD friert sie auf minus 100 Grad herunter und erwärmt sie auf 210 Grad, wodurch sichergestellt wird, dass ihre Sicherungen sich nicht spontan im Flug unter dem Sonnenlicht entzünden. Um zu beweisen, dass die Bolzen durch die Schockwelle der Raketenzündung festgehalten werden können, erleiden sie drei 6000-G-Hiebe von Thor-würdigen Stahlhämmern.

Während des gesamten Prozesses prüfen und überprüfen die Ingenieure die Schrauben erneut. Sie messen sie erneut, um sicherzustellen, dass ihre Formen nicht unter Druck nachgeben. Röntgenstrahlen stellen sicher, dass alle ihre inneren Teile vorhanden sind - und zwar an der richtigen Stelle - und ein fluoreszierender Farbstoff hebt Risse hervor, die nur 5 mm lang sind. Sobald EBAD zufrieden ist, schicken sich neun Verbindungselemente aus jeder Fertigungsserie an Lockheed und die NASA, die die Teile auf eine härtere Probe stellen. Wenn eine der Hardware einen schlechten Test oder einen Riss aufweist, zieht EBAD das gesamte Los und der Prozess beginnt von vorne.

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Eine andere Möglichkeit, den Erfolg eines explosiven Weltraumblitzes zu überwachen, besteht darin, zu beobachten, wie er explodiert. Dies geschieht so schnell, dass die Beobachtung des Booms furchtbar entmutigend ist. Es gibt fast nichts zu sehen. Wie Magie. Nur ist es nicht.

Die einzige Möglichkeit, die Explosionen wirklich zu „sehen“, besteht in Zeitlupenvideos, die mit einem Bruchteil der Geschwindigkeit laufen, die das menschliche Auge von Natur aus erkennen kann - mindestens 100.000 Bilder pro Sekunde. Und selbst dann bleibt noch viel verborgen, einschließlich der elektrischen Ladung, die eine Reihe winziger Detonationen auslöst, die letztendlich ein organisches Treibmittel in einer Druckpatrone entzünden. Das Treibmittel erzeugt genug Energie, um zwei interne Kolben anzutreiben. Das Paar schlägt dann mit genügend Kraft gegeneinander, um die wichtige Bruchfläche endgültig, perfekt und ein für alle Mal zum Scheitern zu bringen. Von außen sieht es so aus, als würde sich der Riegel auseinander ziehen.

Raumschiffe haben überall Redundanzen, auch innerhalb der Bolzen. Es gibt zwei Druckpatronen nebeneinander. Wenn der erste nicht feuert, wird die elektrische Ladung fortgesetzt und der zweite wird abgegriffen und gezündet. Wenn beide gleichzeitig feuern, was manchmal passiert, kann die Granate immer noch die Kraft enthalten.

Aber der Job ist noch nicht beendet, wenn Sie die Explosion ausgelöst haben. Die Pause selbst kann zu Problemen führen, da Trümmer im Weltraum tödlich sind. Ein winziges Stück Bolzen, das mit Tausenden von Meilen pro Stunde um Orion flog, konnte leicht ein Solarpanel zertrümmern oder ein wichtiges Stück Elektronik durchbohren und die Mission beenden. Wenn sich die Befestigungselemente zwischen ihre Testsensoren schmiegen und letztendlich in zwei Teile einrasten, baumelt ein kleiner Beutel darunter, um Ablagerungen einzufangen. Lockheed analysiert den Müll, um sicherzustellen, dass keine Teile groß genug sind, um Probleme zu verursachen. Sie überprüfen auch das Zeitlupenband und prüfen die Geschwindigkeit von Gegenständen, die von der Bruchstelle und dem Fahrzeug wegschießen.

Für die heldenhaftesten Bolzen, die die Kapsel der Besatzung bis zu den letzten Augenblicken der Mission an ihrer mülleimerförmigen Lebenserhaltung befestigen, ist es doppelt wichtig, sicher zu sein, wo sich zerbrochene Teile abwickeln. Teile dieser Hardware müssen im Fahrzeug verbleiben und zu einem weiteren wichtigen Merkmal beitragen. Nachdem sich die Schrauben gelöst haben, schmelzen die auf der Kapsel verbleibenden Scherben leicht und werden Teil des Hitzeschilds. Dadurch wird überschüssige Wärme abgegeben und die Astronauten werden beim Zurückstoßen um 4000 Grad in die Erdatmosphäre geschützt. Während sie schmelzen, nehmen sie die Hitze mit - wie Eisbrocken, die an einem heißen Tag auf einer Asphaltdecke sitzen.

Als Keon und eine Gruppe von EBAD-Ingenieuren diese letzten Kämpfe beschreiben, starren sie auf die Wand des Konferenzraums hinter mir. In der Nähe der Decke befindet sich eine aufgerollte Projektionswand. Testflüge sind die einzige echte Chance für die Bolzen, ihr Können zu beweisen. Wenn sie also eintreten, drängen sich die EBAD-Mitarbeiter in diesem Raum, um zu beobachten. Im Moment nähert sich die NASA zwei großen Ereignissen: Eine vierminütige Fahrt wird diesen Frühling eine Notlandung üben. und im Jahr 2020 wird Exploration Mission 1 eine unbemannte Kapsel um den Mond und nach Hause peitschen.

Das letzte Mal, dass sie diesen Raum betraten, war im Jahr 2014, als Exploration Flight Test 1 den Orion zweimal um die Erde kreiste, bevor er herunter spritzte. Die unbenannte Mission war ein Versuch für kritische Systeme wie Hitzeschild, Fallschirme, Computer und, was EBAD am meisten angeht, all diese Trennungen. An diesem Nachmittag Mitte Dezember bestellte das Team Pizza und wartete bis spät in die Nacht, um zu sehen, wie sich ihre Bolzen entwickelten. Sie gingen auf und ab und schwitzten, dann stießen sie Jubel und langmüde Seufzer aus. Die Feier wurde jedoch durch die Arbeit - das Testen, das Verfeinern - gemildert, und sie würden zum nächsten Morgen zurückkehren. »Die Mission ist noch nicht vorbei«, sagt Keon.

Dieser Artikel wurde ursprünglich in der Verkehrsausgabe der Populärwissenschaft vom Frühjahr 2019 veröffentlicht .

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