Minimierung von Satellitenvibrationen für verbesserte Missionsleistung

Im Bereich der Raumfahrttechnik ist das Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique (CSEM) seit vielen Jahren Partner der Europäischen Weltraumorganisation (ESA). Ein Forschungsschwerpunkt ist die Beseitigung von Vibrationsemissionen, die von Komponenten an Bord von Satelliten ausgehen. Neben der Begrenzung der Präzision der Lageregelung führen diese Mikrovibrationen zu höherem Energieverbrauch und (bei Bildgebungsmissionen) zu Verschlechterung der Bildqualität.

Verschiedene Ansätze zur Vibrationsunterdrückung

Es gibt verschiedene Wege, unerwünschte Vibrationen entweder an der Quelle oder an der Nutzlast zu bekämpfen. Im Rahmen der Erprobung unterschiedlicher Ansätze hat CSEM derzeit mehrere Projekte zu numerischen Modellen, aktiv-passiver Minderung und algorithmenbasiertem Kerben. In einem dieser Projekte arbeiten CSEM und Partner mit einer innovativen Technologie basierend auf magnetischer Levitation.

„Mit Unterstützung von Kistler Messtechnik untersuchten wir einen Reaktionsrad-Prototyp mit Magnetlager“, sagte Leopoldo Rossini, Leiter der Mikrovibrationsanlage bei CSEM. „Diese Technologie von Celeroton, einem Schweizer Unternehmen, bietet viele Vorteile: keine Reibung, praktisch unendliche Lebensdauer, Möglichkeit der aktiven Unterdrückung unerwünschter Vibrationen durch Regelung, und die Chance, höhere Leistung bei höheren Drehzahlen zu erreichen.“

Messkette für Mikrovibrationen

Die CSEM-Ingenieure nutzen eine Messkette von Kistler, um die Vibrationen des Reaktionsrad-Prototyps zu untersuchen. Der kundenspezifische Dynamometer besteht aus vier dreikomponentigen Kraftsensoren, die sandwichartig zwischen zwei Stahlplatten montiert sind – ein Design, das maximale mechanische Steifigkeit erreicht. Dieses Messinstrument ist auf einem Granitblock montiert, der über vier pneumatische Isolatoren schwebt, sodass Umwelteinflüsse so weit wie möglich eliminiert werden.

Da die Mikrovibrationen im Millinewton-Bereich auftreten, ist eine hochempfindliche Messkette mit sehr niedrigem Rauschen erforderlich. Aktuatoren wie ein Schrittmotor und ein Kryokühler können auf dem Instrumententisch platziert werden, um die gewünschten Messungen durchzuführen.

Ergebnisse: Effektive Unterdrückung bei bis zu 20.000 U/min

Für den magnetisch levitierten Reaktionsrad-Prototyp wurde ein Drehzahlbereich von –20.000 bis 20.000 U/min abgedeckt. Dies ermöglichte die vollständige Charakterisierung der Wirksamkeit eines Mehrharmonischen-Kraftunterdrückungsalgorithmus, der die Hauptvibrationen während des Betriebs unterdrücken kann. „Der Mangel an physischem Kontakt durch magnetische Levitation eröffnet sehr interessante Möglichkeiten“, so Guzmán Borque Gallego, R&D Engineer bei CSEM. „Er lässt uns den Rotor fast frei so positionieren, dass Vibrationen minimiert werden – beispielsweise indem der Rotor um seine Hauptträgheitsachse rotiert, um vibrationsbedingte Unwucht zu unterdrücken, was diese Emissionen auf nahezu Null reduziert.“

„Die Ausrüstung von Kistler ist ideal und lieferte Ergebnisse von sehr hoher Qualität“, sagte Borque Gallego. „Wir messen eher kleine Kräfte im Millinewton-Bereich – aber selbst in Mikronewton können wir noch Unterschiede sehen. Das erlaubt eine komfortable Beurteilung aller Messungen und führt zu hochwertigen Daten.“

Datenerfassung erfolgt durch ein Rapid-Prototyping-System bei 20 kHz, und dank der präzisen Messungen lässt sich der Effekt des Regelalgorithmus klar identifizieren.

Zwar beabsichtigten die Forscher zunächst, den modernen LabAmp 5167A mit digitalem Ausgang zu nutzen, entschieden sich aber letztlich für den 5080A-Ladungsverstärker von Kistler, der noch präzisere Messungen ermöglicht und dank analoger Signalübertragung höhere Echtzeitfähigkeit besitzt.

„Wir freuen uns, neue Kistler-Technologie hier zu haben, da unsere Partner bei ESA und in Deutschland sie auch für Qualifikationszwecke nutzen“, fügte Rossini hinzu. „Diese Ausrüstung ist sehr robust und fiel nicht einmal aus, wenn sie über die vorgegebenen Grenzen hinaus belastet wurde. Da sie ihre Fähigkeiten bewiesen hat, werden wir sie definitiv für zukünftige Projekte im Bereich Vibrationscharakterisierung einsetzen – wo wir bereits Beschleunigungssensoren von Kistler betreiben.“

„Die Vorteile von Magnetlager-Reaktionsrädern sind offensichtlich: Sie erzeugen weit geringere Vibrationen und drehen schneller als konventionelle Räder – was verbesserte Leistung sowie reduzierte Größe und Gewicht bedeutet. Und dank fehlender Reibung gibt es keinen Verschleiß und die Lebensdauer des Rads ist praktisch unbegrenzt“, sagte Borque Gallego. „Das ist ein faszinierendes Projekt, und wir hoffen, die nächsten Schritte anzugehen: praktische Nutzung, Test und vielleicht sogar Validierung gemeinsam mit unseren Partnern.“

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