Vibrationsprüfungen der Weltraumnutzlasten und FLV-Testing (Force Limited Vibration Testing)

Kistler hat ein umfassendes Produktportfolio für diese Prüfanwendungen in der Umgebungssimulation entwickelt. Es umfasst dreiachsige, ultraleichte Beschleunigungssensoren, 3-Komponenten-Kraftsensoren, vorgespannte Kraftsensoren für die einfache Montage, Kabel und zugehörige Signalaufbereiter. Unsere Lösungen zeichnen sich durch Leichtbauweise, geringe Ausgasung, niedrigen Rauschpegel und geringe Übersprecheigenschaften aus.

Wegen der hohen Kosten werden Prüfverfahren für Weltraumnutzlasten, wie beispielsweise die Qualifikationsprüfungen für Satellitenvibrationen, weltweit besonders sorgfältig durchgeführt. Die Nutzlast wird sowohl während der Produktentwicklung zur Optimierung der Struktur als auch während der Fertigung umfangreichen Prüfungen unterzogen, um die Überlebensfähigkeit bei Start, Betrieb und Langzeiteinsatz zu gewährleisten. Um die Umgebungsbedingungen zu simulieren, denen eine Raumnutzlast während des Raketenstarts ausgesetzt ist, werden elektrodynamische Vibrationstische eingesetzt, um realistische dynamische Belastungsprüfungen durchzuführen.

 
Vibrationsprüfung eines Satelliten
in der Umgebungsimulation
– Sinusförmiges und Random-Testen.
(Quelle: NASA)

Das FLV-Testing wird eingesetzt, um Überlastungen zu vermeiden, die während der Vibrationsprüfung der Nutzlast eintreten und die teuren Satelliten beschädigen könnten. Dank Messung und Begrenzung der zwischen Nutzlast und Schlupftisch auftretenden Reaktionskräfte wird die Beschleunigung auf die Nutzlastresonanzen reduziert. Im realen Flug wird die Eingangsbeschleunigung auf die Resonanzfrequenzen der Nutzlast begrenzt, da die mechanische Impedanz von Strukturträger und Nutzlast ähnlich ist. Bei Prüfungen mit dem Vibrationstisch sind die Schnittstellenkräfte der Raumnutzlast bei den Nutzlastresonanzen höher, da der Vibrationstisch eine sehr hohe mechanische Impedanz hat und durch die umhüllte Schnittstellenbeschleunigung gesteuert wird.

Wichtige Technologien für die Anwendung

Raumfahrzeugstrukturen bestehen oft aus dünnen, leichten Materialien und erfordern Beschleunigungssensoren mit geringem Gewicht. In einigen Fällen verbleiben Sensoren und Kabel beim Start im Satelliten. Die Gewichtsbelastung wird dadurch noch kritischer.

Das hohe Vakuumniveau einer Weltraumumgebung ruft eine Materialausgasung hervor, bei der eingeschlossenes Gas freigesetzt wird. Dieses kann an Oberflächen, wie z. B. an Kameraobjektiven, kondensieren und damit die Funktion dieser Geräte behindern. In manchen Fällen dürfen die hermetisch dichten Sensoren und ausgasungsarmen Verkabelungslösungen von Kistler in thermischen Vakuumkammern eingesetzt werden, oder sie verbleiben beim Start im Satelliten.

Die Raumnutzlast muss einer Vielzahl von Umgebungsprüfungen standhalten, von Mikrovibrationen, die eine sehr niedrige Sensoransprechschwelle erfordern, bis hin zu hohen g-Werten, die bei der Stichprobenschwingprüfung auftreten. Mit den rauscharmen Lösungen von Kistler kann ein- und derselbe Sensor verwendet werden, um den gesamten Bereich abzudecken.

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Vorteile

Reduzierte Massenbelastungseffekte durch Beschleunigungssensoren mit geringem Gewicht 

Es wird eine geringere Anzahl von Beschleunigungssensorreferenzen benötigt, da die Messlösungen es ermöglichen, dass ein und derselbe Sensor das gesamte Panel abdeckt

Für den Einsatz in thermischen Vakuumkammern und an Bord von Satelliten geeignet

Optimale Montagemöglichkeiten für dreiachsige Kraftsensoren 

Messungen hoher Kräfte und Genauigkeit bei der Momentenberechnung 

Optimierte Anzahl an benötigten Kanälen für die Datenerfassung bei der Kraftmessung durch Ladungssignale

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