Minimaliseren van satelliettrillingen voor verbeterde missieprestaties

In het veld van ruimtetechnologie is Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique (CSEM) al jaren partner van de Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA). Een focus van hun gezamenlijke onderzoek is het elimineren van trillingemissies die afkomstig zijn van componenten aan boord van satellieten. Naast het beperken van de precisie van houdingscontrole voor satellieten, leiden deze micro-trillingen tot hogere energieverbruik en (in het geval van beeldvormingsmissies) tot verslechtering van de beeldkwaliteit.

Aanpakken van ongewenste trillingen

Er zijn verschillende manieren om ongewenste trillingen te bestrijden, ofwel aan de bron of aan de payload. Als onderdeel van de verkenning van verschillende benaderingen, heeft CSEM momenteel verschillende projecten gericht op numerieke modellen, actief-passieve mitigatie en algoritme-gebaseerde notching. In een van deze projecten werken CSEM en zijn partners met een innovatieve technologie gebaseerd op magnetische levitatie.

„Met steun van Kistler meettechnologie, onderzochten we een reactiewiel-prototype met een magnetisch lager,” zei Leopoldo Rossini, die het micro-trillingsfaciliteit bij CSEM leidt. „Deze technologie van Celeroton, een Zweeds bedrijf, biedt veel voordelen zoals geen wrijving, een praktisch oneindige levensduur, de mogelijkheid om ongewenste trillingen actief te onderdrukken door regeling, en de kans om hogere prestaties bij hogere snelheden te bereiken,” voegde Rossini toe.

De CSEM-ingenieurs gebruiken een meetketen van Kistler om de trillingen van het reactiewiel-prototype te onderzoeken. De aangepaste dynamometer bestaat uit vier driedimensionale krachtsensoren sandwich-gemonteerd tussen twee staalplaten – een ontwerp dat maximale mechanische stijfheid bereikt. Dit meetinstrument is gemonteerd op een granietblok opgehangen over vier pneumatische isolatoren zodat omgevingsinvloeden zoveel mogelijk geëlimineerd worden.

Omdat de micro-trillingen in de millinewton-range optreden, is een hooggevoelige meetketen met zeer laag ruis vereist. Actuatoren zoals een stappenmotor en een cryocooler kunnen op het instrumentatietafel geplaatst worden om de gewenste metingen uit te voeren.

Voor het magnetisch geleefde reactiewiel-prototype werd een snelheidsbereik van –20.000 tot 20.000 rpm gedekt. Dit maakte volledige karakterisering van de effectiviteit van een meervoudig-harmonische krachtweigering-algoritme mogelijk dat de hoofptrillingen die tijdens de werking ontstaan onderdrukt. „Het gebrek aan fysiek contact door magnetische levitatie opent heel interessante mogelijkheden,” volgens Guzmán Borque Gallego, een R&D-ingenieur bij CSEM. „Het laat ons vrijwel vrij de rotor te positioneren op een manier dat de trillingen geminimaliseerd worden – bijvoorbeeld door de rotor te laten draaien om zijn hoofdas van inertie om alle trillingen gerelateerd aan rotor-onwucht te onderdrukken, wat deze emissies tot bijna nul reduceert,” zei hij.

Gerelateerde links:

Multifunctionele Structuur Stabiliseert en Draait Satellieten

Hoe Satellieten te Repareren – Met Satellieten

„De apparatuur van Kistler is ideaal en leverde ons resultaten van zeer hoge kwaliteit,” zei Borque Gallego. „We meten rather kleine krachten in de millinewton-range – maar zelfs in micronewton kunnen we nog verschillen zien. Dit stelt comfortabele oordelen over alle metingen mogelijk, wat leidt tot hoogwaardige data 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 regelalgoritme duidelijk geïdentificeerd worden.

Hoewel de onderzoekers initieel van plan waren de moderne LabAmp 5167A met digitale uitgang te gebruiken, kozen ze uiteindelijk voor de 5080A ladingversterker van Kistler, die nog nauwkeurigere metingen toestaat en hogere realtime-mogelijkheden heeft door analoge signaaltransmissie.

„We zijn blij om nieuwe Kistler-technologie hier te hebben, omdat onze partners bij ESA en in Duitsland het ook gebruiken voor kwalificatie-doeleinden,” voegde Rossini toe. „Deze apparatuur is zeer robuust en brak niet eens toen het buiten de gegeven constraints werd belast. Nu het zijn vaardigheden heeft bewezen, zullen we het zeker gebruiken voor toekomstige projecten op het gebied van trillingskarakterisering – waar we al accelerometers van Kistler gebruiken.”

„De voordelen van magnetische lager reactiewielen zijn duidelijk: ze kunnen veel lagere trillingen genereren en sneller draaien dan conventionele wielen – wat verbeterde prestaties betekent alsook verminderde grootte en gewicht. En dankzij het gebrek aan wrijving is er geen slijtage en is de levensduur van het wiel praktisch oneindig,” zei 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 Info Bezoek Hier