antriebstechnik 3/2020

WÄLZ- UND GLEITLAGER

WÄLZ- UND GLEITLAGER MINIATURLAGER MANÖVER IN 600 KILOMETERN ÜBER DER ERDE Das Würzburger Zentrum für Telematik hat vier „NetSat“-Kleinst-Satelliten ins Weltall entsendet. Zu ihren zukünftigen Missionen zählt die verbesserte Erdbeobachtung bei der Erforschung des Klimas und des Klimawandels. Die Achsensteuerung der vier Satelliten wird von jeweils sechs Miniatur-Reaktionsrädern ausgeführt. Eine russische Sojus-Rakete vom Weltraumbahnhof „Kosmodrom Plessezk“ im Norden Russlands brachte die „NetSat“- Satelliten Ende September 2020 in das Weltall. Dort umrunden die gerade einmal 4 kg schweren und nur 10 × 10 × 30 cm „großen“ Kleinst-Satelliten die Erde auf ihrer Umlaufbahn in 600 km Höhe. Ihre Aufgabe ist es, die Techniken für eine Selbstorganisation der Formation, also ihre gegenseitige Position und Anordnung, im Orbit zu erforschen. Die dadurch ermöglichten, neuartigen Erdbeobachtungsansätze sollen Klimavorhersagen verbessern. Gleichzeitig ist daran gedacht, mit dem Projekt die Grundlagen für innovative künftige Telekommunikationssysteme zu legen. Konstruiert und entwickelt wurden die „NetSat“-Kleinst-Satelliten vom Würzburger Zentrum für Telematik (ZFT). Mit an Bord der vier Objekte sind jeweils sechs Miniatur-Reaktionsräder, names Cyber Reaction Wheel 2 von Wittenstein Cyber Motor. Das ausgegründete Christoph Weis ist Produktmanager bei der Wittenstein cyber motor GmbH in Igersheim Start-up des ZFT S4 (Smart Small Satellite Systems GmbH) baute mithilfe den Reaktionsrädern ein 3-Achs-Lageregelungssystem. Das Achsensystem soll eine genaue Ausrichtung auf Beobachtungsziele erlauben, aber auch die Einstellung des Elektromotors auf die gewünschte Schubrichtung für Änderungen der Umlaufbahn steuern. So wird eine dreidimensionale Anordnung der vier Kleinst-Satelliten für optimale Beobachtungen ermöglicht und kontinuierlich nachgeführt. DREIDIMENSIONALE ERFASSUNG DER ERDOBERFLÄCHE Die bereits in Vorbereitung stehende nachfolgende Mission zur Erdbeobachtung TOM (Telematics earth Observation Mission) erklärt Prof. Dr. Klaus Schilling von der Universität Würzburg und zugleich Vorstand des Zentrums für Telematik: „Die drei TOM-Kleinst-Satelliten sollen die Erdoberfläche aus verschiedenen Richtungen dreidimensional erfassen, ohne tote Winkel und verdeckte Punkte auf den Bildern. Hierzu müssen die drei Satelliten sich selbst organisieren und in optimaler Formation zueinander positionieren. Ihre jeweiligen 20 antriebstechnik 2021/03 www.antriebstechnik.de

WÄLZ- UND GLEITLAGER Bildinformationen werden zu einer ganzheitlichen 3D-Darstellung fusioniert, die die Erdoberfläche ohne perspektivbedingte Abschattungen darstellt.“ Für den Datenaustausch sind alle Satelliten einer Formation mit einer Funkverbindung ausgestattet, über die sie ihre Relativ-Positionen und -Ausrichtungen untereinander austauschen. Damit werden die Manöver der Kleinst-Satelliten zum Formationsbetrieb des Multi-Satellitensystems per Funk koordiniert. Das redundante 3-Achs-Lageregelungssystem von S4, bestehend aus den jeweils sechs an Bord befindlichen, miniaturisierten Präzisions-Reaktionsräder. REAKTIONSRÄDER ERMÖGLICHEN BEWEGUNG IM ORBIT Erst die Reaktionsräder in ihrer 2 × 2 × 2 cm kleinen Würfelform machen die „NetSat“- Kleinst-Satelliten manövrierfähig. Sie drehen die Raumflugkörper im Weltall um ihre x-, y- und z-Richtung, damit sich die Objekte in der Erdumlaufbahn ausrichten können. Julian Scharnagel, Leiter Entwicklung beim Zentrum für Telematik, ist beeindruckt von der hohen Leistungsdichte der etwa 30 g „schweren“ Cyber Reaction Wheel 2: „0,1 mNm nominales Drehmoment und 19 000 rpm nominale Geschwindigkeit sind schon außergewöhnliche Werte.“ Hinzu kommt ein selbstkalibrierender Regelalgorithmus, der eine präzise Lageregelung sicherstellt. Für die Inbetriebnahme des Cyber Reaction Wheel 2 steht ein Starterkit zur Verfügung. Mit einem PC und der grafischen Benutzerschnittstelle MotionGUI 2 kann das Reaktionsrad innerhalb weniger Momente in Betrieb genommen werden. Außerdem lassen sich mit der Software zusätzlich zur Parametrisierungen auch Diagnosen und weitere Optimierungen durchführen. Die miniaturisierten Reaktionsräder wurden konsequent für den anspruchsvollen Dauereinsatz im All ausgelegt. So beträgt die Leistungsaufnahme nicht einmal 200 mW. Das ermöglicht energieeffiziente Regelungsmanöver über viele Jahre hinweg. Mechanik und Elektronik sind nicht nur auf kleinem Bauraum integriert, sondern auch an das raue Einsatzumfeld im Orbit angepasst. Dafür sorgt z.B. das vakuumtaugliche Lager, der Einsatz strahlungsresistenter Komponenten sowie eine hohe thermische Widerstandsfähigkeit für Temperaturen von - 40 bis + 100 °C. VERSCHIEDENE MISSIONEN GEPLANT Das Zentrum für Telematik wird die Ergebnisse und Erfahrungen des „NetSat“-Projekts für die nächsten „Kleinst“-Satelliten-Missionen nutzen. Geplant ist z. B. die internationale Telematics earth Observation Mission (TOM) zur 3D-Erdbeobachtung von Vulkanausbrüchen, Erdbeben und Schiffsbewegungen. Auch das Projekt CloudCT ist vorgesehen. Dabei werden mit Methoden der Computertomographie mittels zehn Kleinst-Satelliten das Innere von Wolken analysiert, um weitere oder verbesserte Parameter für Klimamodelle zu erhalten. Fotos: Aufmacher: Zentrum für Telematik, Würzburg; 01: Wittenstein se; 02: Smart Small Satellite Systems GmbH www.wittenstein.de DIE IDEE „Der Cyber Reaction Wheel 2 stellt für Wittenstein Cyber Motors die erste Technologie für das Weltall dar. Mit ihrer Leichtbauweise und Robustheit haben die Reaktionsrädern Nano- Satelliten, wie NetSats, eine dynamische und statische Schwenksteuerung verliehen. Überdies halten wir auch eine Integration in die noch kleineren Pico-Satelliten (weniger als 1 kg) für denkbar.“ Christoph Weis, Produktmanager, Wittenstein cyber motor GmbH 01 Im Innern der „NetSat“-Kleinst- Satelliten arbeiten die Miniatur-Reaktionsräder im 3-Achs-Lageregelungssystem. Die Elektronik befindet sich komplett im Inneren des Würfels 02 Ein „NetSat“ beim Dynamik-Test auf dem Drehtisch in Würzburg; solche 4 kg schwere Kleinst-Satelliten sollen zukünftig dreidimensionale Bilder der Erde anfertigen 02 01 www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2021/03 21