Höhere Testsicherheit: Wie Kistler Südkoreas Forschung und Entwicklung für die Raumfahrt unterstützt

Die koreanische Luft- und Raumfahrtagentur vertraut für das Force Limited Vibration Testing (FLVT) von Satelliten auf Messtechnik von Kistler: 24 kreisförmig angeordnete und mit LabAmp-Ladungsverstärkern und Datenerfassungseinheiten verbundene Kraftsensoren ermöglichen eine integrierte Beschleunigungsregelung, mit der Schäden durch übermäßiges Testen verhindert werden können.

Südkorea ist erst vor relativ kurzer Zeit in den Kreis der Raumfahrtnationen vorgestoßen. Den Grundstein hierfür legte das Land im Jahr 1989 mit der Gründung des Korea Aerospace Research Institute (KARI). Es befindet sich in Daejeon im Zentrum Südkoreas und gehört zum Wissenschafts- und Forschungscluster Daedeok Innopolis mit über 20.000 Forschern. In den 1990ern entwickelten die Spezialisten von KARI ihre ersten Raketen für Raumfahrzeuge. Heute liegt der Schwerpunkt der Raumfahrtagentur auf der Entwicklung intelligenter unbemannter Luftfahrzeuge (UAVs), Satellitenprogrammen und – in Zusammenarbeit mit der NASA – der Erforschung des Mondes.

Im Rahmen eines im Juni 2018 gestarteten Projekts setzten die Ingenieure von KARI sich zum Ziel,  eine Infrastruktur zu implementieren, mit der Vibrationstests für große Nutzlasten flexibel durchgeführt werden können. Der sogenannte Force Limited Vibration Test (FLVT) ist ein bewährtes Verfahren, um die mechanischen Belastungen aufgrund von Vibrationen während der Start- und Flugphase zu simulieren. Hierbei wird der Prüfling auf einen Vibrationstisch gesetzt, mit dem Massen auf definierte und geregelte Weise angeregt werden können. Um eine schwere Beschädigung oder sogar die Zerstörung des Prüflings durch übermäßiges Testen zu vermeiden, werden die Beschleunigungswerte häufig mithilfe zusätzlicher Kraftsensoren geregelt. „Diese Methode hat sich als empfindlicher, zuverlässiger und praktischer erwiesen als die alleinige Überwachung der Beschleunigung“, erklärt Sung-Hyun Woo, Direktor und leitender Wissenschaftler in der Abteilung für Weltraumumgebungstests bei KARI. „Unser Ziel war es, eine Regelung zu entwickeln, die die Anregung automatisch, abhängig von der Rückmeldung der Kraftsensoren, verringert.“ Diese Reduzierung des Beschleunigungspegels in engen Frequenzbändern nennt man „Notching“ – sie wird üblicherweise in Frequenzbändern angewendet, in denen ein Prüfling Resonanzen aufweist.

Hochpräzise Messung von Kräften und Momenten

Um ihr angestrebtes Ziel zu erreichen, entschieden sich die Ingenieure von KARI dafür, 24 3‑Komponenten-Kraftaufnehmer 9377C von Kistler zu integrieren. Diese piezoelektrischen Messzellen messen Kraftkomponenten bis zu 150 kN in drei Achsen (Fx, Fy, Fz) mit hoher Präzision. „Wir haben uns für die vorgespannten 3-Komponenten-Kraftsensoren von Kistler entschieden, weil sie leicht zu implementieren sind und nach der Montage keine Kalibrierung benötigen“, erklärt Jong-Min Im, leitender Wissenschaftler bei KARI und Gruppenleiter bei diesem Projekt. Mit Blick auf die Montage auf dem Gleittisch (3,25 x 3,25 m) und die Sicherstellung korrekter Messungen werden die 24 Messdosen kreisförmig angeordnet und über eine ringförmige Grundplatte mit dem Vibrationstisch und eine ringförmige Deckplatte mit dem Prüfling verbunden. „Als wir in die Schweiz kamen, teilten die Ingenieure von Kistler ihre bei ähnlichen Projekten erworbenen Erfahrungen mit uns und zeigten uns, wie wir die Ringstruktur am besten gestalten – das war natürlich sehr hilfreich“, fährt Im fort. „Aufgrund des Abstands zwischen den 24 Kraftsensoren müssen der obere und der untere Ring mit einem Durchmesser von 2,3 m perfekt ausgerichtet sein, um maximale Genauigkeit zu erreichen.“

Für eine effiziente Datenerfassung und -übertragung integrierten die Ingenieure von KARI außerdem 20 Ladungsverstärker LabAmp 5165A von Kistler. 18 jeweils mit vier Kanälen ausgestattete Systeme verarbeiten die Sensorsignale der Messdosen. Mit den zwei verbleibenden Einheiten lassen sich bei Bedarf flexibel Beschleunigungsmessungen durchführen. „Mithilfe dieser hochwertigen, rauscharmen Labor-Datenerfassungslösungen war es einfach, die Daten der Kraftaufnehmer zu verarbeiten“, sagt Im. „Dieser Teil der Messkette stand also relativ schnell, die eigentlichen Schwierigkeiten begannen erst danach. Bei 72 gleichzeitig zu verarbeitenden Kanälen muss die Berechnungszeit für die resultierenden Momente stets im Blick bleiben. Es war schwierig, das gesamte Hardware- und Software-Setup so zu konfigurieren, dass die Signalverzögerung minimiert wird. Je größer die Signalverzögerung ist, desto größer ist nämlich die Gefahr, dass die Anregung zu spät reduziert wird.“

Zuverlässige Daten und schnelle Verarbeitung ermöglichen Automatisierung

Doch am Ende waren die Entwickler von KARI erfolgreich: Sie implementierten ein Field Programmable Gate Array (FPGA), das Berechnungen gleichzeitig und unabhängig von der Zahl der Operationen durchführen kann. Im bemerkt hierzu: „Die resultierende Dauer der vollständigen Kraft-Momenten-Berechnung beträgt nur mehr 0,12 ms in drei Schleifen von 0,04 ms. Es gab viele Parameter und Variablen zu beachten, bis die Schnittstelle zwischen Kraftmessung und Beschleunigungsregelung entwickelt war. Aber schließlich haben wir es doch geschafft!“

Als Nächstes wurde ein Vergleichstest mit der neuen Regelung durchgeführt. „Wir wollten prüfen, ob unser System wirklich besser ist als ein manuelles Verfahren. Deshalb führten wir einen Querschwingungstest mit unserer Vorrichtung durch, wobei hohe Momente auf die Grundfläche der Satelliten-Attrappe wirken“, so Im weiter. Der Test zeigte eindeutig, dass das System gut funktionierte: Dank des automatischen Notchings wurden die Beschleunigungswerte im Resonanzfrequenzbereich von 0,15 auf 0,03 g reduziert, so dass der Grenzwert von 60 kNm nicht überschritten wurde. Beim manuellen Verfahren hingegen kam es mit Werten von bis zu 71 kNm zu deutlichem „Overtesting“. Die Ingenieure von KARI nahmen anschließend FLV-Tests mit integriertem automatischen Notching und Momenten bis zu 300 kNm vor. Die Ergebnisse waren überzeugend, sodass nun der nächste Schritt vollzogen und das neue System auf echte Satelliten angewendet werden kann.

„Kistler hat uns während des gesamten Projekts unglaublich unterstützt – nicht nur durch die Produktqualität und Datenzuverlässigkeit, sondern auch durch die hervorragende Beratung. Die Mitarbeiter von Kistler haben uns mit ihrem großen Wissen über piezoelektrische Messketten geholfen und dabei mitgewirkt, alles zum Laufen zu bringen», resümiert Sung-Hyun Woo. „Wir schätzen sie als wertvolle Partner auch im Hinblick auf zukünftige Projekte. Von den Kraftsensoren und Datenerfassungssystemen abgesehen könnten wir in kommenden Projekten auch von den Beschleunigungssensoren von Kistler profitieren. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist für uns der lokale technische Support, den wir bei Bedarf von Kistler Korea erhalten.“