Verfolgen Sie die Raumfahrtindustrie lange genug und Sie werden feststellen, dass eine übergroße Anzahl katastrophaler Ausfälle von Satelliten oder Trägerraketen auf ein physikalisch kleines, aber allgegenwärtiges Teil zurückzuführen ist: Ventile.
Ventile spielen eine entscheidende Rolle in der Architektur des Raumfahrzeugs und regulieren den Fluss von Druckmitteln wie Helium und Treibmitteln. Sie sind auch auf Trägerraketen zu finden und zählen zahlenmäßig zu den häufigsten Unterkomponenten dieser Systeme. Diese Realität rückte diese Woche deutlich in den Fokus, als Astrobotic ankündigte, dass sein Mondlandegerät Peregrine aufgrund eines die Mission beendenden Antriebslecks nicht in der Lage sein werde, eine sanfte Landung auf dem Mond zu versuchen – was wahrscheinlich auf ein Ventil zurückzuführen ist, das sich nicht wieder abdichten ließ.
Aber Astrobotic ist bei weitem nicht das einzige Raumfahrtunternehmen, dessen Mission aufgrund von Ventilproblemen während der Tests oder im Orbit abgebrochen wurde. Boeing musste mit erheblichen Verzögerungen bei der Mission rechnen für den zweiten Orbitaltestflug seiner Starliner-Kapsel mit Besatzung aufgrund von Ventilproblemen und im Jahr 2019 für den Crew Dragon von SpaceX explodierte während eines Bodentests aufgrund eines undichten Ventils im Antriebssystem.
„Es gibt tausend verschiedene Möglichkeiten, ein Ventil unzufrieden zu machen“, sagte Jake Teufert, CTO von Benchmark Space Systems, einem in Vermont ansässigen Startup, das Antriebssysteme für Raumfahrzeuge entwickelt.
Sogar tausend könnten eine Untertreibung sein. Im Allgemeinen bestehen Ventile aus einem Kolben, der sich nach der Betätigung wieder in seinen Sitz zurückversetzen und dicht abschließen muss. „Wenn es irgendwelche Probleme damit gibt, kann es falsch schließen und Lecks verursachen“, sagte Grant Bonin, Raumfahrzeugdesigner und Gründer von GravityLab.
Aber diese Beschreibung ist so einfach, dass sie irreführend ist. Luft- und Raumfahrtventile müssen mit höchster Präzision hergestellt werden, so leicht wie möglich sein und einer Vielzahl von Extremen standhalten: extreme Temperaturen, extreme Flüssigkeiten, extreme Vibrationsumgebungen und extreme Drücke – manchmal bis zu mehreren Tausend Pfund pro Quadratzoll. Ventile müssen außerdem extrem geringe Leckageanforderungen erfüllen. Teufert sagte, dass einige Ventile zulässige Leckraten aufweisen, die dem Austreten von nur einem Gramm Helium im Laufe von 200 Jahren entsprechen.
Noch komplizierter wird die Sache durch die zugrunde liegenden physikalischen Realitäten, mit denen sich Ingenieure und Ventilhersteller auseinandersetzen müssen. Beispielsweise sind einige Kraftstoffe und Oxidationsmittel mit bestimmten Ventildichtungspolymeren nicht kompatibel, und chemische Inkompatibilität kann zu Problemen wie Korrosion oder Rissbildung führen. Ingenieure müssen außerdem auf „Foreign Object Debris“ (FOD) achten, d. h. auf kleinste Schmutzpartikel oder Verunreinigungen, die ein Ventil verstopfen oder eine ordnungsgemäße Abdichtung verhindern können. Selbst kleine Lecks können zum Durchgehen führen, da sich schnell ausdehnendes Gas zu Kälte führt, wodurch das Ventil seinen akzeptablen Temperaturbereich verlassen kann.
Ingenieure testen Raumfahrzeuge auf dem Boden einer Vielzahl von Tests, doch die Flugumgebung könne nur bedingt erreicht werden, erklärte Teufert.
„Sie können sicherlich etwas auf den Shaker-Tisch werfen und etwas tun [vibration] Profil, aber Sie tun das möglicherweise nicht, während Sie gleichzeitig unter vollem Druck stehen und Oxidationsdämpfen ausgesetzt sind, was im Flug passiert“, sagte er. „Wenn man in den meisten Testhäusern einen vollen Tank mit Stickstofftetroxid auf einen Schütteltisch stellt, sagt man nicht ‚Nein‘, sondern ‚verdammt nein‘.“
Am Ende des Tages stehen Ingenieure vor einer unglaublich langen Liste von Fehlermöglichkeiten und müssen irgendwann feststellen, wie sicher sie den Tests sind. Darüber hinaus ist es nicht ungewöhnlich, dass Unternehmen ihren gesamten Spielraum für Design, Beschaffung und Bau aufbrauchen, sodass die Testabteilung am stärksten unter Druck steht.
„Wenn es intern Fluktuation gibt und man mit vielen verschiedenen Anbietern zusammenarbeitet, kann es sehr leicht passieren, dass man nicht ausreichend testet und einige dieser Probleme übersieht“, sagte Bonin.
Es könnte verlockend sein zu denken: Warum nicht ein zusätzliches Ventil hinzufügen, damit für den Fall, dass sich eines nicht öffnet, ein Backup vorhanden ist? Durch das Hinzufügen von zwei Ventilen (oder zusätzlichen Unterkomponenten) können jedoch völlig neue Fehlermodi entstehen, die mit einem Ventil niemals auftreten würden.
Das andere Problem ist die Lieferkette. Trotz der relativ großen Stückzahlen an Raumfahrzeugen, die aus dem Starlink-Programm von SpaceX, Amazons Kuiper, OneWeb und einer ganzen Reihe aufstrebender Raumfahrt-Startups hervorgehen, sind die Unterkomponenten von Raumfahrzeugen noch sehr, sehr weit von der Massenproduktion entfernt.
„Im Kern besteht das Problem darin, dass der Weltraum einfach kein Massenmarkt ist“, sagte Bonin. „Wenn jemand in der Luft- und Raumfahrtindustrie über Massenproduktion spricht, lache ich, weil wir manchmal Dinge in mittlerer Stückzahl herstellen, aber nichts, was echte Massenproduktion darstellt. Wir sind also nicht die Kunden mit hoher Priorität für diese Unternehmen.“ Teufert schloss sich diesen Gedanken an und sagte: „Als Branche sind wir immer noch weit davon entfernt, handwerkliche, handgefertigte Hardware zu sein, wenn es sich um etwas Luft- und Raumfahrtspezifisches handelt, und das gilt definitiv auch für Ventile.“
Aufgrund der relativ kleinen Produktmengen ist die Fertigung immer noch sehr individuell, wobei viele Ventile in sehr kleinen Serien für bestimmte Antriebssysteme oder Raumfahrzeuge hergestellt werden. Die Kompetenz der Lieferanten ist jedoch nicht unbedingt über die Zeit stabil, da der Prozess sehr kleinteilig ist und so stark auf Stammeswissen angewiesen ist.
„Wenn es sich um etwas handelt, das pro Jahr in großer, echter Massenproduktion hergestellt wird, verfügen sie über hervorragende Prozesse und gut verteiltes Wissen, wie man dieses Ventil oder eine andere Komponente im Laufe der Zeit zuverlässig herstellen kann“, sagte Teufert. „Das heißt, das seltsame kleine Luft- und Raumfahrtventil, von dem sie jedes Jahr zehn Stück für diesen Nischenmarkt herstellen [made by] Irgendein Typ namens Bob, der Anfang 60 ist und mit einem Fuß im Ruhestand ist. Er macht diese alle paar Jahre und dann geht Bob, und all sein Stammeswissen geht verloren, weil es niemanden gab, der Bob unter die Arme greifen konnte. Das habe ich bei einer Menge Komponenten gesehen.“
Zweifellos gilt dies nicht für jedes Programm. zum Beispiel der Ventildesigner und -hersteller Marotta im letzten Sommer gab bekannt, dass das Unternehmen sein 30.000stes CoRe-Magnetventil ausgeliefert hat zu SpaceX. Aber in anderen Fällen müssen sich kleinere Raumfahrtunternehmen mit längeren Fertigungszeiten bei kleineren Volumina auseinandersetzen, kommerzielle Produkte von der Stange kaufen oder versuchen, eine Lösung intern zu erfinden.
SpaceX-Präsidentin und COO Gwynne Shotwell mit Marotta-Vertretern. Bildnachweis: Marotta
„Ich kann das gleiche Teil zweimal kaufen, aber wenn Jim Teil A gemacht hat und Joe Teil B, haben sie trotz der gleichen Teilenummer eine dramatisch unterschiedliche Qualität“, sagte Bonin. Oder wenn Ihr leitender Techniker einen beschissenen Montag hatte, hätte er möglicherweise einen Schritt übersprungen. Es gibt einfach überall menschliches Versagen.“