Satelliten

Definierte Infrarot-Wärmelasten auf den Prüfling aufbringen

Infrarot-Bestrahlung ermöglicht einen gezielten thermischen Energieeintrag. Die Auslegung richtet sich danach, welche Flächen belastet werden sollen und welcher räumliche sowie zeitliche Verlauf für den Versuch erforderlich ist.

Dabei werden Strahlerleistung, Abstand, Ausrichtung und die Oberflächeneigenschaften des Prüflings gemeinsam betrachtet. Für komplexe Geometrien können unterschiedliche Bestrahlungsrichtungen erforderlich sein. Eine zonenweise Ansteuerung kann je nach Anlagenkonzept helfen, verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen Vorgaben zu beaufschlagen.

Für die Spezifikation muss zwischen einer thermischen Wärmelastprüfung und einer spektralen Sonnensimulation unterschieden werden. Eine IR-Anlage dient zur Aufprägung geeigneter Wärmelasten. Wenn die Untersuchung ein AM0-Sonnenspektrum benötigt, müssen die entsprechenden spektralen Anforderungen gesondert beschrieben und nachgewiesen werden.

BF Engineering hat für das Samara Space Center eine leistungsstarke Infrarotanlage für thermische Prüfungen von Raumfahrtkomponenten und Satelliten realisiert.

Wichtige Auslegungsgrößen:

• Erforderlicher Wärmeeintrag auf den relevanten Prüflingsflächen
• Strahleranordnung und Einstrahlrichtungen
• Zeitlicher Verlauf der Belastung
• Mögliche Aufteilung in getrennt ansteuerbare Bereiche
• Oberflächeneigenschaften und Abschattungen
• Anforderungen an eine gegebenenfalls zusätzliche spektrale Sonnensimulation

Bestrahlung und Prüflingsgeometrie gemeinsam planen

Satelliten und ihre Baugruppen besitzen häufig unterschiedliche Oberflächen, hervorstehende Strukturen und empfindliche Anbauteile. Diese Geometrie beeinflusst die erreichbaren Bestrahlungsbereiche und die gegenseitige Abschattung.

Für die Anlagenplanung wird deshalb festgelegt, welche Bereiche direkt belastet werden sollen und welche Orientierung der Prüfling während des Versuchs einnimmt. Darauf aufbauend werden Strahlerpositionen, Abstände und mechanische Halterungen ausgelegt.

Bei einem Einsatz innerhalb einer Vakuumkammer kommen weitere Anforderungen hinzu. Werkstoffe, elektrische Komponenten, Leitungen und Befestigungen müssen für die vorgesehene Umgebung geeignet sein. Auch die Wärmeabfuhr der Bestrahlungstechnik muss unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen betrachtet werden.

Die Prüflingsaufnahme ist Teil des thermischen Aufbaus. Ihre Kontaktstellen und Leitungswege können den Wärmehaushalt beeinflussen und müssen deshalb bei der Planung berücksichtigt werden.

Schwerpunkte des Systemaufbaus:

• Anordnung der Strahler um die relevanten Prüflingsbereiche
• Berücksichtigung von Abschattungen und empfindlichen Anbauteilen
• Definierte Position und Orientierung des Prüflings
• Abstimmung der Befestigungen mit dem thermischen Prüfkonzept
• Geeignete Werkstoffe und Leitungsführungen für die Prüfumgebung
• Zugänglichkeit für Aufbau, Instrumentierung und Wartung

Belastung und Temperaturverteilung zeitlich eindeutig zuordnen

Ein thermischer Versuch liefert besonders dann verwertbare Ergebnisse, wenn Belastung, Umgebungsbedingungen und Prüflingszustand gemeinsam dokumentiert werden. Temperaturkurven müssen den jeweiligen Bestrahlungs- und Funktionsphasen zugeordnet werden können.

Die Messstellenplanung orientiert sich an den thermisch relevanten Bereichen. Dazu können bestrahlte Oberflächen, tragende Strukturen, elektronische Baugruppen und thermische Schnittstellen gehören. Die Anzahl und Lage der Sensoren werden anhand des Prüfzwecks festgelegt.

Auch die Instrumentierung selbst erfordert Aufmerksamkeit. Eine unzureichende Sensorbefestigung kann zu fehlerhaften Messwerten führen. Messleitungen können zusätzliche Wärmeleitpfade bilden und damit die lokale Temperatur beeinflussen. NASA weist ausdrücklich auf diese Einflüsse bei Thermovakuumtests hin.

Für den Modellabgleich werden neben Temperaturwerten auch die Randbedingungen des Versuchs benötigt. Dazu zählen die tatsächliche Prüflingskonfiguration und die Einstellungen der thermischen Umgebung.

Relevante Mess- und Dokumentationsgrößen:

• Temperaturen an definierten Komponenten und Strukturen
• Bestrahlungsvorgaben und tatsächliche Belastungsphasen
• Thermische Zustände der Kammerumgebung
• Druckverlauf bei Vakuumprüfungen
• Elektrische Betriebszustände des Prüflings
• Sensorpositionen, Befestigungen und Leitungsführung

Bestrahlungstechnik mit Kammer, Messsystem und Prüfsteuerung abstimmen

Die Bestrahlungsanlage wird als Teil des gesamten Prüfaufbaus betrachtet. Entscheidend ist, wie sie mit der Prüflingsaufnahme, der thermischen Kammerumgebung und den vorgesehenen Testabläufen zusammenarbeitet.

Für die Steuerung werden Sollwerte, Betriebsarten und erforderliche Rückmeldungen festgelegt. Bei einer Einbindung in automatisierte Prüfprogramme müssen außerdem die Abläufe zwischen Bestrahlung, Kammerkonditionierung und Prüflingsbetrieb koordiniert werden.

Besondere Aufmerksamkeit benötigen die Übergänge zwischen unterschiedlichen Zuständen: Aufbau, Konditionierung, Belastungsphase, Abkühlung und Zugang zum Prüfling. Die hierfür erforderlichen Freigaben und Schutzfunktionen werden im Gesamtkonzept definiert.

BF Engineering stimmt die Bestrahlungstechnik auf die Anwendung ab. Schnittstellen zur Vakuumkammer und zu weiteren Anlagenteilen werden mit dem Betreiber und den zuständigen Anlagenpartnern festgelegt.

Für die Integration relevant:

• Mechanische und elektrische Schnittstellen
• Anbindung an Steuerung und Messwerterfassung
• Abstimmung mit der thermischen Kammerkonditionierung
• Vakuumgeeignete Durchführungen und Leitungswege
• Freigaben, Verriegelungen und Fehlerreaktionen
• Dokumentierte Prüf- und Wartungsabläufe