Astronomen am Steward Observatory der University of Arizona verwenden Testkits von Rydberg Vacuum Sciences, um die Entwicklung und Qualifizierung einer neuen Generation kleiner Satelliten-Forschungsteleskope zu beschleunigen
US-amerikanisches Technologie-Start-up Rydberg Vakuumwissenschaften (RVS) setzt seinen Weg als „Go-to“-Ausrüstungsanbieter im aufstrebenden Test- und Messökosystem fort und unterstützt die Entwicklung und Validierung von Weltraummissionen mit kleinen Satelliten – im Allgemeinen Instrumente mit einer Masse von 1 bis 500 kg . Genauer gesagt schlägt RVS eine spezialisierte Nische in der Bereitstellung erschwinglicher, handelsüblicher Thermal-Vakuum-Ausheiz- und Thermal-Vakuum-Cycling-Produkte ein – Schlüsseltechnologien im Preflight-Qualifizierungsworkflow für kleine Satelliten und ihre Bestandteile, Subsysteme und Instrumentierung.
Der sich hier entwickelnde Marktkontext ist aufschlussreich, in dem kleine Satellitenentwickler kommerzielle und wissenschaftliche Möglichkeiten in so unterschiedlichen Anwendungen wie astronomische Beobachtung, Fernerkundung, Umweltschutz und Vermögensverfolgung und Logistik eröffnen. Im Mittelpunkt des Ganzen schreitet die Innovation bei kleinen Satelliten rasant voran, wobei etablierte und neu eintretende Hersteller sowie akademische Forschungsgruppen immer mehr Funktionalität in immer kleiner werdende Nutzlasten quetschen und gleichzeitig die Eintrittsbarrieren weiter senken Weltraumindustrie.
Prüfung auf Einsatzbereitschaft
All dies führt zu einem unerbittlichen Abwärtsdruck auf die Kapital- und Betriebsausgaben von Satellitenentwicklern und ihren Ingenieurteams – nicht zuletzt, wenn es um die anspruchsvollen Testprogramme geht, die erforderlich sind, um Satellitensysteme für den Start und letztendlich für den langfristigen Betrieb im Orbit zu qualifizieren. Eine diesbezügliche Fallstudie ist die Zentrum für Astronomische Adaptive Optik (CAAO) bei der Steward Observatorium, dem Forschungszweig der Abteilung für Astronomie an der University of Arizona (Tucson, Arizona). Das CAAO-Team ist auch der jüngste Neuzugang im wachsenden Netzwerk von RVS-Kunden und hat als solches die Thermal-Vakuum-Testkammer (TVAC) des Anbieters in den letzten Monaten in Betrieb genommen und abgenommen.
„Wir bauen Prototypen von Forschungsinstrumenten – einschließlich adaptiver Optiksysteme, fortschrittlicher IR- und UV-Detektoren und Hochleistungskryostaten – die in zukünftige weltraumgestützte kleine Satellitenteleskope eingebaut werden“, erklärt Ewan Douglas, Assistenzprofessor und Assistenzastronom am Steward-Observatorium. Douglas leitet seinerseits ein breit angelegtes Forschungsprojekt, das Weltrauminstrumente, Wellenfronterfassung und -steuerung sowie kontrastreiche Abbildungen von extrasolaren Planeten und Trümmerscheiben umfasst. „Die Testkapazitäten der TVAC-Kammer werden es uns ermöglichen, die technische und Einsatzbereitschaft unserer wissenschaftlichen Instrumente und Satellitennutzlasten voranzutreiben“, fügt er hinzu. „Auf diese Weise hoffen wir, die Antworten der University of Arizona auf die Finanzierungsvorschläge der NASA so viel überzeugender zu machen.“
Das operative Detail
Für jedes Testprogramm vor dem Start erstellen Instrumentenentwickler wie Douglas und seine CAAO-Kollegen normalerweise ein Modell der Temperaturextreme, denen eine kleine Satellitenmission wahrscheinlich ausgesetzt ist, sobald sie sich im Orbit befindet. Darauf folgt ein umfassendes Programm von laborbasierten Thermal-Vakuum-Tests – unerlässlich für die Iteration und Validierung der Modellierung und um sicherzustellen, dass alle lokalisierten Heiz-/Kühleinheiten die gewünschte Wirkung auf Forschungsinstrumente an vorderster Front und die zugehörige Hardware haben.
In diesem Szenario ermöglicht die RVS TVAC-Kammer Entwicklern, die Technologieleistung entlang mehrerer Koordinaten zu bewerten. Bei einem thermischen Vakuum-Zyklustest werden beispielsweise die Hardware und die Instrumente des Fahrzeugs auf Herz und Nieren geprüft und einem „Step-and-Repeat“-Programm mit extrem heißen und kalten Temperaturen in einer Hochvakuumumgebung unterzogen, während ein thermischer Gleichgewichtstest durchgeführt wird zielt darauf ab, die Wirksamkeit der thermischen Kontrollsysteme des Fahrzeugs zu demonstrieren, um die Temperatur von Schlüsselsystemen innerhalb vordefinierter Grenzen zu halten. Es gibt auch eine Vakuumausheizanforderung, bei der die Satellitenhardware unter Hochvakuum auf hohe Temperatur erhitzt wird, um den Grad der Materialausgasung zu quantifizieren (deren Produkte die Funktion von bordeigenen Bildgebungssystemen, Wärmestrahlern und Solarzellen beeinträchtigen können). und dergleichen).
Hierin liegt eine weitere Chance. Denn selbst wenn das CAAO-Team die Leistungsgrenzen seiner weltraumgestützten Instrumente ausreizt, bleibt ein paralleles Engagement für Kostensenkungen ein wesentlicher Bestandteil des F&E-Mix – nicht zuletzt beim Einsatz von kommerzieller Standardhardware (COTS). und Software (eher als die Entwicklung maßgeschneiderter Technologielösungen). „Ein wichtiger Anwendungsfall für die TVAC-Kammer besteht darin, COTS-Produkte – beispielsweise einen optischen Detektor oder einen Bordcomputer – zu nehmen und sicherzustellen, dass sie auch in einer weltraumähnlichen Umgebung funktionieren“, sagt Douglas. „Weltraumtaugliche COTS-Technologien sind von grundlegender Bedeutung, um die Gesamtkosten von Kleinsatelliten-Astronomiemissionen zu senken.“
Liefern versus Anforderungen
Ebenso wichtig ist der Schwerpunkt, den RVS auf seine eigenen gebrauchsfertigen thermischen Vakuumsysteme legt. Anders ausgedrückt bedeutet dies thermisches Testen zu einem günstigen Preis, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass die Benutzerfreundlichkeit von größter Bedeutung ist. „Als Reaktion auf unsere Aufforderung zur Einreichung von Vorschlägen war RVS preislich konkurrenzfähig und lieferte im Vergleich zur gewünschten Funktionalität“, bemerkt Manny Montoya, technischer Manager der CAAO, der ein vielfältiges Team von Ingenieuren, Technikern und Maschinisten leitet, die die Forschung von Douglas und anderen Astronomen bei unterstützen Steward-Observatorium.
Die fragliche Funktionalität umfasst eine Allzweck-Vakuumtestkammer, die jede kleine Satellitenmission auf dem Tucson-Campus verwenden kann, um die Auswirkungen von Temperaturextremen im Hochvakuum zu untersuchen. Darüber hinaus gibt die TVAC-Kammer den Astronomen des Steward Observatory die Möglichkeit, auf Vakuumregime von nur 10 zuzugreifen-8 Torr – eine wesentliche Anforderung bei der Qualifizierung von High-End-Instrumenten für wissenschaftliche Missionen wie z Aspera. Dieses NASA-Projekt unter der Leitung des Steward Observatory-Astronomen Carlos Vargas entwickelt einen extrem UV-astrophysikalischen Kleinsatelliten, der das koronale Warm-Heiß-Phasen-Gas um nahe gelegene Galaxienhalos kartieren wird (und wiederum Licht auf die Entstehung und Entwicklung von Galaxien werfen wird). .
Thermal-Vakuum-Testsysteme: Vorbereitungen für die Preflight-Qualifizierung von Kleinsatelliten
Ein weiteres Muss der CAAO ist die Vibrationsisolierung, damit Douglas und sein Team präzise adaptive Optiksysteme in der TVAC-Testkammer bewerten können. In diesem Zusammenhang schlug RVS eine neuartige Lösung vor, die einen optischen Tisch umfasst, der an pneumatischen Beinen außerhalb der Vakuumkammer aufgehängt ist – eine Konfiguration, die die zu testende Optik isoliert, indem sie alle Vibrationen dämpft, die durch den Gebäudeboden kommen (z. B. von vorbeifahrendem Straßenverkehr oder von Öffnen und Schließen von Türen).
„Als Antwort auf die Aufforderung zur Einreichung von Vorschlägen“, schließt Montoya, „hat RVS großartige Arbeit geleistet, um die technischen Anforderungen von CAAO zu verstehen und das TVAC-System entsprechend anzupassen – ein Beweis für das umfassende technische Fachwissen des Unternehmens im Bereich der thermischen Vakuumprüfung für Forschungs- und Industrieanwendungen.“
