Beseitigung von Vibrationsemissionen an Bord von Satelliten

Im Bereich Weltraumtechnologie ist das Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique (CSEM) seit vielen Jahren Partner der European Space Agency (ESA). Ein Schwerpunkt ihrer gemeinsamen Forschung ist die Eliminierung von Vibrationsemissionen, die von Komponenten an Bord von Satelliten ausgehen. Diese Mikrovibrationen schränken nicht nur die Genauigkeit der Lageregelung von Satelliten ein, sondern führen auch zu einem höheren Energieverbrauch und (im Fall von Bildgebungsmissionen) zu einer Verschlechterung der Bildqualität.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, unerwünschten Schwingungen entweder an der Quelle oder an der Nutzlast entgegenzuwirken. Im Rahmen der Erforschung verschiedener Ansätze hat das CSEM derzeit mehrere Projekte, die sich auf numerische Modelle, Aktiv-Passiv-Minderung und algorithmusbasiertes Notching konzentrieren. In einem dieser Projekte arbeiten das CSEM und seine Partner mit einer innovativen Technologie auf Basis der Magnetschwebebahn.

„Mit Unterstützung von Kistler Messtechnik haben wir einen Reaktionsrad-Prototypen mit Magnetlager untersucht“, sagt Leopoldo Rossini, Leiter der Mikrovibrationsanlage am CSEM. „Diese Technologie von Celeroton, einem Schweizer Unternehmen, bietet viele Vorteile wie keine Reibung, eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer, die Möglichkeit, unerwünschte Vibrationen aktiv durch Steuerung zu unterdrücken, und die Möglichkeit, bei höheren Geschwindigkeiten eine höhere Leistung zu erzielen“, fügt Rossini hinzu. P>

Mit einer Messkette von Kistler untersuchen die CSEM-Ingenieure die Schwingungen des Reaktionsrad-Prototyps. Das kundenspezifische Dynamometer besteht aus vier Dreikomponenten-Kraftsensoren, die sandwichartig zwischen zwei Stahlplatten montiert sind – eine Konstruktion, die maximale mechanische Steifigkeit erreicht. Dieses Messgerät ist auf einem Granitblock montiert, der über vier pneumatische Isolatoren aufgehängt ist, so dass Umwelteinflüsse weitestgehend eliminiert werden.

Da die Mikrovibrationen im Millinewtonbereich auftreten, ist eine hochsensible Messkette mit sehr geringem Rauschen erforderlich. Aktuatoren wie ein Schrittmotor und ein Kryokühler können auf dem Instrumententisch platziert werden, um die gewünschten Messungen durchzuführen.

Für den Prototyp des magnetgelagerten Reaktionsrads wurde ein Drehzahlbereich von –20.000 bis 20.000 U/min abgedeckt. Dies ermöglichte eine vollständige Charakterisierung der Wirksamkeit eines Mehrharmonischen-Kraftunterdrückungsalgorithmus, der in der Lage ist, die während des Betriebs erzeugten Hauptschwingungen zu unterdrücken. „Der fehlende physische Kontakt aufgrund der Magnetschwebebahn eröffnet einige sehr interessante Möglichkeiten“, so Guzmán Borque Gallego, F&E-Ingenieur am CSEM. „Es lässt uns fast die Freiheit, den Rotor so zu positionieren, dass die Vibrationen minimiert werden – zum Beispiel, indem wir den Rotor um seine Hauptträgheitsachse drehen lassen, um alle Vibrationen im Zusammenhang mit der Rotorunwucht zu unterdrücken, wodurch diese Emissionen auf nahezu reduziert werden Null“, sagte er.

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„Die Ausrüstung von Kistler ist ideal und hat uns Ergebnisse von sehr hoher Qualität geliefert“, sagte Borque Gallego. „Wir messen eher kleine Kräfte im Millinewton-Bereich – aber selbst im Mikronewtonbereich sehen wir noch Unterschiede. Dies ermöglicht eine komfortable Beurteilung aller Messungen, was zu qualitativ hochwertigen Daten im Prozess führt.“

Die Datenerfassung erfolgt durch ein Rapid-Prototyping-System bei 20 kHz und dank der genauen Messungen kann die Wirkung des Regelalgorithmus eindeutig identifiziert werden.

Obwohl die Forscher zunächst den modernen LabAmp 5167A mit digitalem Ausgang verwenden wollten, entschieden sie sich schließlich für den Ladungsverstärker 5080A von Kistler, der noch genauere Messungen ermöglicht und durch analoge Signalübertragung eine höhere Echtzeitfähigkeit aufweist.

„Wir freuen uns, neue Kistler-Technologie hier zu haben, denn unsere Partner bei der ESA und in Deutschland nutzen sie auch für Qualifizierungszwecke“, fügt Rossini hinzu. „Dieses Gerät ist sehr robust und ging auch bei Belastung über die gegebenen Grenzen hinaus nicht kaputt. Jetzt, wo es seine Fähigkeiten bewiesen hat, werden wir es auf jeden Fall für zukünftige Projekte im Bereich der Schwingungscharakterisierung verwenden – wo wir bereits Beschleunigungssensoren von Kistler betreiben.“

„Die Vorteile von magnetgelagerten Reaktionsrädern liegen auf der Hand:Sie können weitaus geringere Vibrationen erzeugen und rotieren schneller als herkömmliche Räder – was eine verbesserte Leistung sowie eine geringere Größe und ein geringeres Gewicht bedeutet. Und dank der fehlenden Reibung gibt es keinen Verschleiß und die Lebensdauer des Rads ist praktisch unbegrenzt“, sagte Borque Gallego. „Dies ist ein faszinierendes Projekt, und wir hoffen, die nächsten Schritte voranzutreiben:praktische Anwendung, Tests und vielleicht sogar Validierung zusammen mit unseren Partnern.“

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