Luft- & Raumfahrt

Infrarot-Bestrahlung für Satelliten

Definierte Wärmelasten für anspruchsvolle Raumfahrtprüfungen

Das thermische Verhalten eines Satelliten ist Teil seiner Funktionsfähigkeit. Wärme aus dem Betrieb der Systeme und äußere Strahlungseinflüsse müssen durch das thermische Design berücksichtigt werden. Dazu gehören beispielsweise Isolierungen, Radiatoren und Heizsysteme.

Unter Vakuumbedingungen entfällt die konvektive Wärmeübertragung durch umgebende Luft. Wärmeleitung über Verbindungen und der Strahlungsaustausch gewinnen dadurch besondere Bedeutung. Thermovakuumprüfungen unterstützen die Überprüfung des thermischen Designs vor dem Einsatz.

Infrarot-Bestrahlung kann dabei zur gezielten Aufprägung definierter Wärmelasten eingesetzt werden. BF Engineering hat für das Samara Space Center eine entsprechende Anlage realisiert.

• Prüfaufgaben
  Thermisches Verhalten unter kontrollierten Bedingungen untersuchen

Die Prüfung kann sich auf einzelne Komponenten, Strukturen oder das Zusammenspiel mehrerer Baugruppen beziehen. Relevant sind unter anderem Temperaturverteilungen und thermisch bedingte Verformungen.

Die konkrete Belastung wird aus der Prüfaufgabe und dem thermischen Modell abgeleitet.

Mögliche Untersuchungsschwerpunkte:

• Temperaturverteilungen an Strukturen und Baugruppen
• Verhalten thermischer Schutz- und Isolationssysteme
• Thermisch bedingte Ausdehnungen und Verformungen
• Funktion ausgewählter Komponenten unter Wärmelast
• Vergleich von Messdaten und thermischen Berechnungsmodellen

• Bestrahlung
  Infrarot-Wärmelast und Sonnenspektrum gezielt unterscheiden

Infrarotstrahler dienen dazu, Wärmeenergie definiert auf den Prüfling aufzubringen. Damit können thermische Randbedingungen für geeignete Prüfaufgaben nachgebildet werden.

Eine solche IR-Prüfung bildet nicht automatisch das vollständige Sonnenspektrum außerhalb der Atmosphäre ab. Wenn spektrale AM0-Bedingungen benötigt werden, muss die Sonnensimulation entsprechend spezifiziert werden. ESA-Prüfanlagen unterscheiden ebenfalls zwischen Sonnensimulation und Infrarot-Bestrahlung.

• Systemaufbau
  Strahleranordnung passend zur Prüflingsgeometrie

Die Anordnung der Strahler bestimmt, welche Bereiche des Prüflings mit welcher Wärmelast beaufschlagt werden können. Geometrie, Abstände und Abschattungen sind deshalb zentrale Auslegungsgrößen.

Je nach Prüfkonzept können unterschiedliche Bestrahlungsbereiche erforderlich sein. Deren Aufteilung und Regelung werden anhand der gewünschten thermischen Randbedingungen festgelegt.

• Messung
  Messdaten für die Bewertung des thermischen Designs

Temperaturmessstellen und die Erfassung der Prüfbedingungen bilden die Grundlage für die Auswertung. Besonders wichtig sind nachvollziehbare Messpositionen und die zeitliche Zuordnung zu den jeweiligen Belastungsphasen.

So können Temperaturverläufe und räumliche Unterschiede untersucht und mit den zugrunde liegenden Berechnungen verglichen werden.

• Integration
  Bestrahlungstechnik als Teil des Gesamtprüfstands

Bei der Integration werden Bestrahlungseinrichtung, Prüflingsaufnahme, Messsystem und Kammerumgebung gemeinsam betrachtet. Für vakuumseitig eingesetzte Komponenten sind außerdem die jeweiligen Anforderungen an Werkstoffe, Leitungen und Wärmeabfuhr zu berücksichtigen.

Die Ausführung wird anhand des vorhandenen Prüfstands und des geplanten Testprogramms abgestimmt.

Bestrahlungsprüfungen für Raumfahrzeuge

Vom Rover bis zum Lander: thermische Bedingungen vor der Mission untersuchen

Rover, Lander und wissenschaftliche Raumfahrthardware müssen unter den Bedingungen ihres späteren Einsatzortes funktionieren. Welche Belastungen relevant sind, hängt von der Mission ab: Eine Reise durch den Weltraum stellt andere Anforderungen als der Betrieb auf einer Planetenoberfläche.

Bestrahlungsprüfungen unterstützen die Untersuchung von Aufheizung, Temperaturverteilung und thermischem Systemverhalten. Je nach Prüfziel werden sie mit einer klimatisierten Kammer, reduziertem Druck oder einer Thermovakuumumgebung kombiniert.

Dass Sonnensimulation auch bei Roverprüfungen eingesetzt wird, zeigt die dokumentierte Vorbereitung der thermischen Tests des Marsrovers Curiosity.

• Prüfaufgaben
  Die Mission gibt die Randbedingungen vor

Bei Explorationssystemen müssen Bestrahlung, Temperatur, Druck und Betriebszustand passend zum jeweiligen Missionsszenario ausgewählt werden. Ein Marsoberflächentest und eine Prüfung für den Einsatz im freien Weltraum benötigen unterschiedliche Umgebungsbedingungen. NASA dokumentiert entsprechende Unterschiede bei Rover-Systemtests.

Mögliche Untersuchungsschwerpunkte:

• Aufheizung bestrahlter Strukturen und Gehäuse
• Temperaturverteilung im Gesamtsystem
• Verhalten empfindlicher Instrumente und Elektronikbereiche
• Funktion während definierter thermischer Betriebsphasen
• Überprüfung und Weiterentwicklung thermischer Modelle

• Bestrahlung
  Sonnenbelastung auf den Einsatzort abstimmen

Bestrahlungsstärke und Spektrum richten sich nach der geplanten Untersuchung. Hinzu kommen Einstrahlrichtung, Expositionsdauer und mögliche Wechsel zwischen beleuchteten und verschatteten Phasen.

Die Auslegung sollte daher vom Missions- und Prüfprofil ausgehen. Die Sonnenbedingungen am Boden der Erde sind nicht automatisch die richtigen Referenzbedingungen für eine andere planetare Umgebung.

• Systemaufbau
  Kompakte Kammern für gezielte Entwicklungsversuche

Für einzelne Instrumente, Baugruppen und kompakte Demonstratoren kann ein überschaubarer Prüfaufbau sinnvoll sein. Wichtig sind ausreichend Platz für den Prüfling, eine passende Bestrahlungsgeometrie und zugängliche Messstellen.

Bewegliche Leuchtenanordnungen können unterschiedliche Einstrahlrichtungen ermöglichen. Die BRNO-Referenz von BF Engineering zeigt eine Forschungsanlage zur Nachbildung veränderlicher Sonnenstände; sie ist kein Nachweis einer dort durchgeführten Roverprüfung.

• Messung
  Thermische Reaktionen im Betriebsablauf erfassen

Neben den Temperaturen ist der Betriebszustand des Prüflings für die Auswertung wichtig. Ein aktives Instrument kann andere thermische Bedingungen erzeugen als dieselbe Baugruppe im abgeschalteten Zustand.

Messdaten sollten deshalb mit den jeweiligen Bestrahlungs- und Funktionsphasen verknüpft werden. So lassen sich Ergebnisse gezielt für die Bewertung des thermischen Designs nutzen.

• Integration
  Vom Demonstrator zum abgestimmten Prüfkonzept

Am Anfang stehen die Abmessungen des Prüflings und die gewünschte Aussage des Versuchs. Daraus ergeben sich Anforderungen an Bestrahlungsfläche, Kammerumgebung, Instrumentierung und Bedienung.

BF Engineering unterstützt die Auslegung der passenden Bestrahlungstechnik und deren Abstimmung mit der vorgesehenen Prüfumgebung.

Sonnensimulation in Vakuumkammern

Strahlung, Vakuum und thermische Randbedingungen zusammenführen

Eine Vakuumkammer ermöglicht die Untersuchung von Hardware bei reduziertem Umgebungsdruck. Für Raumfahrtprüfungen wird sie häufig um temperierte Kammerflächen und eine gezielt eingebrachte Strahlungsbelastung ergänzt.

Das Zusammenspiel dieser Systeme bestimmt die thermischen Randbedingungen am Prüfling. So lassen sich beispielsweise Temperaturverteilungen, thermische Gleichgewichtszustände und das Verhalten während definierter Temperaturzyklen untersuchen. Entsprechende Prüfkonzepte werden unter anderem bei ESA und DLR eingesetzt.

Bei der Auslegung steht deshalb die gesamte Prüfumgebung im Mittelpunkt: Kammer, Bestrahlung, thermische Abschirmung, Prüflingsaufnahme und Messtechnik müssen zusammenpassen.

• Prüfaufgaben
  Thermisches Verhalten unter Vakuumbedingungen bewerten

Thermovakuumprüfungen untersuchen Hardware unter einer Kombination aus reduziertem Druck und thermischen Randbedingungen.

Bei Thermal-Balance-Tests stehen Wärmebilanz und Temperaturverteilung im Mittelpunkt. Bei thermischen Zyklusprüfungen wird das Verhalten während festgelegter warmer und kalter Phasen untersucht.

Typische Prüfziele:

• Untersuchung thermischer Gleichgewichtszustände
• Bewertung von Temperaturverteilungen
• Funktionsprüfungen während thermischer Zyklen
• Überprüfung thermischer Berechnungsmodelle
• Untersuchung von Komponenten und integrierten Systemen

• Bestrahlung
  Optischer Zugang für definierte Strahlung

Sonnensimulation kann über einen dafür ausgelegten optischen Zugang mit der Vakuumkammer gekoppelt werden. Reale Anlagen nutzen beispielsweise ein Quarzfenster oder eine angeschlossene optische Kammer.

Für die Auslegung sind unter anderem das gewünschte Spektrum, die Strahlungsintensität, die beleuchtete Fläche und die Strahlgeometrie relevant. Die optischen Eigenschaften des Zugangs müssen dabei berücksichtigt werden.

• Systemaufbau
  Kammer und Bestrahlung gemeinsam betrachten

Eine Thermovakuumanlage kann aus der druckdichten Kammer, Pumpensystemen, temperierten Innenflächen, einer Prüflingsaufnahme und optischen oder elektrischen Zugängen bestehen.

Temperierte Innenflächen, sogenannte Shrouds, schaffen definierte thermische Umgebungsbedingungen. Die Sonnensimulation ergänzt eine gerichtete Strahlungsbelastung. Welche Kombination benötigt wird, ergibt sich aus dem Prüfprofil.

• Messung
  Die Bedingungen am Prüfling nachvollziehbar erfassen

Für die Auswertung werden Kammerzustand, Temperaturen und gegebenenfalls Bestrahlungsgrößen gemeinsam betrachtet.

Messstellen und Leitungsführung müssen zum Prüfaufbau passen. Auch die Instrumentierung kann den Wärmehaushalt des Prüflings beeinflussen, etwa durch Wärmeleitung über Kabel. Diese Einflüsse sind bei der Planung zu berücksichtigen.

• Integration
  Klare Schnittstellen für ein funktionierendes Gesamtsystem

Für die Integration der Bestrahlung werden optische Zugänge, Einbaupositionen, Versorgung und Bedienabläufe festgelegt. Hinzu kommen die Abstimmung mit Pumpbetrieb, thermischer Konditionierung und Schutzfunktionen.

Ob eine externe Lichtquelle, vakuumseitige IR-Technik oder eine Kombination geeignet ist, hängt von der Prüfaufgabe ab. Die konkrete Ausführung wird mit dem Kammerhersteller und dem Betreiber abgestimmt.