Trillingsemissies aan boord van satellieten elimineren

Op het gebied van ruimtetechnologie is Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique (CSEM) al vele jaren partner van de European Space Agency (ESA). Een van de aandachtspunten van hun gezamenlijke onderzoek is het elimineren van trillingsemissies afkomstig van componenten aan boord van satellieten. Deze microtrillingen beperken niet alleen de precisie van de houdingsregeling voor satellieten, maar leiden ook tot een hoger energieverbruik en (in het geval van beeldvormingsmissies) tot een verslechtering van de beeldkwaliteit.

Er zijn verschillende manieren om ongewenste trillingen aan de bron of de lading tegen te gaan. Als onderdeel van zijn verkenning van verschillende benaderingen, heeft CSEM momenteel verschillende projecten die zich richten op numerieke modellen, actief-passieve mitigatie en op algoritmen gebaseerde inkepingen. In een van deze projecten werken CSEM en haar partners met een innovatieve technologie op basis van magnetische levitatie.

"Met ondersteuning van Kistler-meettechnologie hebben we een prototype van een reactiewiel met een magnetisch lager onderzocht", zegt Leopoldo Rossini, hoofd van de microvibratiefaciliteit bij CSEM. "Deze technologie van Celeroton, een Zwitsers bedrijf, biedt veel voordelen, zoals geen wrijving, een vrijwel oneindige levensduur, de mogelijkheid om ongewenste trillingen actief te onderdrukken door controle en de mogelijkheid om hogere prestaties te bereiken bij hogere snelheden", voegde Rossini toe.

De CSEM-ingenieurs gebruiken een meetketting van Kistler om de trillingen van het prototype van het reactiewiel te onderzoeken. De op maat gemaakte dynamometer bestaat uit vier driecomponenten krachtsensoren die tussen twee stalen platen zijn gemonteerd - een ontwerp dat maximale mechanische stijfheid bereikt. Dit meetinstrument is gemonteerd op een granietblok dat over vier pneumatische isolatoren is opgehangen, zodat omgevingsinvloeden zoveel mogelijk worden geëlimineerd.

Omdat de microtrillingen in het millinewton-bereik optreden, is een zeer gevoelige meetketting met een zeer laag geluidsniveau vereist. Op de instrumentatietafel kunnen actuatoren zoals een stappenmotor en een cryokoeler worden geplaatst om de gewenste metingen uit te voeren.

Voor het prototype van het magnetisch zwevende reactiewiel was een snelheidsbereik van -20.000 tot 20.000 tpm bestreken. Dit maakte een volledige karakterisering mogelijk van de effectiviteit van een meervoudig harmonisch krachtonderdrukkingsalgoritme dat in staat is om de belangrijkste trillingen die tijdens bedrijf worden gegenereerd, te onderdrukken. "Het gebrek aan fysiek contact als gevolg van magnetische levitatie biedt een aantal zeer interessante mogelijkheden", aldus Guzmán Borque Gallego, een R&D-ingenieur bij CSEM. “Het laat ons bijna vrij om de rotor zo te positioneren dat de trillingen tot een minimum worden beperkt — bijvoorbeeld door de rotor rond zijn hoofdtraagheidsas te laten draaien om alle trillingen die verband houden met de rotoronbalans te onderdrukken, waardoor deze emissies tot bijna nul', zei hij.

Verwante links:

Multifunctionele structuur stabiliseert en roteert satellieten

Satellieten repareren — met satellieten

"De apparatuur van Kistler is ideaal en heeft ons resultaten van zeer hoge kwaliteit opgeleverd", zei Borque Gallego. "We meten vrij kleine krachten in het millinewton-bereik, maar zelfs in micronewtons kunnen we nog steeds verschillen zien. Dit maakt een comfortabele beoordeling van alle metingen mogelijk, wat leidt tot hoogwaardige gegevens in het proces.”

Data-acquisitie wordt afgehandeld door een rapid prototyping-systeem op 20 kHz en dankzij de nauwkeurige metingen kan het effect van het besturingsalgoritme duidelijk worden geïdentificeerd.

Hoewel de onderzoekers aanvankelijk van plan waren om de moderne LabAmp 5167A met een digitale uitgang te gebruiken, kozen ze uiteindelijk voor de 5080A laadversterker van Kistler, die nog nauwkeurigere metingen mogelijk maakt en een hogere realtime capaciteit heeft door analoge signaaloverdracht.

"We zijn blij dat we hier nieuwe Kistler-technologie hebben, omdat onze partners bij ESA en in Duitsland deze ook gebruiken voor kwalificatiedoeleinden", voegde Rossini eraan toe. “Deze apparatuur is zeer robuust en ging niet kapot, zelfs niet bij overbelasting buiten de gegeven beperkingen. Nu het zijn capaciteiten heeft bewezen, zullen we het zeker gebruiken voor toekomstige projecten op het gebied van vibratiekarakterisering — waar we al versnellingsmeters van Kistler gebruiken.”

“De voordelen van reactiewielen met magnetische lagers liggen voor de hand:ze kunnen veel minder trillingen genereren en sneller draaien dan conventionele wielen, wat betere prestaties en een kleiner formaat en gewicht betekent. En dankzij de afwezigheid van wrijving is er geen slijtage en is de levensduur van het wiel vrijwel onbeperkt”, aldus Borque Gallego. "Dit is een fascinerend project en we hopen door te gaan naar de volgende stappen:praktisch gebruik, testen en misschien zelfs validatie samen met onze partners."

Voor gratis informatie bezoek hier