Ariane 6: Nauwkeurigheid die van start gaat

Op 9 juli 2024 was het zover: de nieuwe Ariane 6-raket werd met succes gelanceerd vanaf de „ruimtehaven” Kourou in Frans-Guyana en volbracht zijn missie om talrijke satellieten in een baan om de aarde te brengen voor onderzoeksdoeleinden. ArianeGroup ontwikkelde het 62 meter lange zware draagraket Ariane 6 in opdracht van de Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA). Dit verzekert Europa's onafhankelijke toegang tot de ruimte.

Na de eerste lancering kwam het volgende Ariane-draagraket in maart 2025 de ruimte in. Hiervoor is meer dan 140 ton brandstof nodig, afkomstig van waterstof en zuurstof. De onder- en bovenkant van de vier brandstoftanks worden gevormd door zogenaamde koepelsegmenten die zijn gemaakt van een speciaal voor dit doel vervaardigde aluminiumlegering. Deze koepelvormige onderdelen behoren tot de zwaarst belaste onderdelen van de raket en bestaan uit verschillende gelaste panelen. Om ervoor te zorgen dat de componenten bestand zijn tegen de hoge belastingen tijdens de korte vlucht naar de ruimte, moeten ze vóór het lassen maatnauwkeurig zijn en vrij van scheuren en restspanningen. Dit wordt bereikt door middel van zogenaamde „penvorming” of shotpeening. Tijdens dit vormingsproces wordt een onderdeel — vergelijkbaar met klassiek smeden — gevormd door intensief bombardement met stalen kogels van verschillende afmetingen.

Shot peening is een zeer veeleisend proces, legt Alexander Hoschka, projectmanager bij MT Aerospace, uit: „De ballen worden met behulp van perslucht nauwkeurig en in exact gedefinieerde hoeveelheden op het onderdeel geschoten. De kunst is om alle procesparameters, zoals stroomsnelheid, procesdruk, kogelsnelheid en mondstukgeleiding langs het werkstuk, te regelen. Aangezien de vorming vordert en er gerichter wordt gestraald, moeten de robots de straal binnen 0,1 seconde van en terug naar het werkstukoppervlak verplaatsen.” Een gepatenteerd doseersysteem regelt de stroomsnelheden van de ballen. Het is ontworpen voor stroomsnelheden tot 30 kg/min en vijf verschillende kogeldiameters tot 10 mm kunnen zonder omschakeling worden verwerkt. Het is belangrijk om gebroken ballen of mogelijk vreemde onderdelen zoals schroeven onmiddellijk uit het proces te verwijderen, omdat ze anders tot onherstelbare schade aan het raketonderdeel kunnen leiden.

Dit speciale proces werd ontwikkeld door MT Aerospace. De technologieleider voor lichte constructies gemaakt van metaal en composietmaterialen produceert de koepelsegmenten in Augsburg, Beieren. „Het systeem is wereldwijd uniek”, onthult Hoschka. „Voor deze taak hebben we specifiek verschillende partners aan boord gehaald.” Het bedrijf voor straalprocestechnologie Sentenso kreeg de opdracht om een testmachine te bouwen voor de ontwikkeling van het peenproces. De dataspecialist Nebumind gebruikte de verkregen inzichten om geavanceerde algoritmen te implementeren voor het automatisch genereren van peening-programma's en om het proces te monitoren. Tegelijkertijd heeft de machinebouwer Freymatic, in nauwe samenwerking met MT Aerospace en TBM Automation, het shotpeening-systeem ontwikkeld en gebouwd, inclusief de verwerking van onderdelen.

Het automatiseringsbedrijf TBM Automation was verantwoordelijk voor het hart van het systeem, het veeleisende doseerproces van de ballen. Managing Director Silvester Tribus legt uit: „We moesten ervoor zorgen dat het systeem altijd de juiste hoeveelheid ballen met de juiste snelheid in de straalpijpen levert. Bovendien worden de ballen hergebruikt en moeten ze automatisch dienovereenkomstig worden gesorteerd.” Om deze en tal van andere functies, zoals het complexe transportsysteem, beschermingsmechanismen, het verwijderen van defecte ballen en de twee robots in het systeem te integreren, gebruikt het bedrijf uit de Rijnvallei verschillende componenten van Siemens. In het systeem zijn vier Simatic-controllers met verschillende randapparatuur aan het werk. De meet- en weegsystemen van Siwarex controleren nauwkeurig de hoeveelheid ballen. Bovendien zorgen 16 G120-schijven, verschillende HMI's, RFID-systemen en een ononderbroken Sitop-voeding voor een soepele werking.

De controllers en robots leveren hun gegevens via een OPC-UA-verbinding naar een edge-computer. Dit maakt alle procesgegevens van het systeem beschikbaar voor door AI ondersteunde evaluatie en programmacorrectie. De TBM-specialisten hebben de automatisering volledig geïmplementeerd in TIA Portal. „Dit platform maakt comfortabele programmering, configuratie en bewaking van automatiseringssystemen mogelijk. Het is onmisbaar in ons dagelijks werk. Er werken vier gecertificeerde TIA-programmeurs voor ons”, zegt Hubert Mathis, projectmanager voor hardware bij TBM. TBM Automation is sinds 2012 een van de Siemens Solution Partners, die beschikken over gedegen expertise en ervaring in het gebruik van Siemens-technologieën en -producten.

De onderdelen worden na de fabricage grondig geïnspecteerd. Om hun kwaliteit op elk moment naadloos te kunnen bewijzen, wordt van elk koepelsegment een digitale tweeling opgeslagen in de database die is ontwikkeld door Nebumind. Het bevat de meetgegevens van de talloze sensoren die in de machine zijn geïnstalleerd en geeft informatie over alle asposities van de robots. Mochten er tijdens de externe kwaliteitscontrole inconsistenties optreden, dan kunnen alle processen precies worden getraceerd. De grote hoeveelheid gegevens moet ook waardevolle informatie opleveren voor de ontwikkeling van toekomstige productsoorten.

Binnenkort zal de volgende Ariane 6-raket de aarde verlaten en zijn diensten in de ruimte uitvoeren. Er zullen nog veel meer ruimtemissies volgen. De vraag naar raketlanceersystemen is momenteel groot, zowel onder institutionele als commerciële klanten van MT Aerospace, vertelt Hoschka: „We zijn trots op het succesvolle project dat letterlijk van start is gegaan dankzij de innovatievriendelijke samenwerking van alle betrokken partijen.”