Astronomer vid University of Arizonas Steward Observatory använder testkit från Rydberg Vacuum Sciences för att påskynda utvecklingen och kvalificeringen av en ny generation forskningsteleskop med små satelliter
Teknikstart i USA Rydberg Vacuum Sciences (RVS) fortsätter att kartlägga en framåtriktad bana som en "gå-till"-utrustningsleverantör i det framväxande test- och mätekosystemet som stödjer utvecklingen och valideringen av rymduppdrag med små satelliter - i stort sett instrument med en massa som sträcker sig från 1 till 500 kg . Närmare bestämt skapar RVS en specialistnisch inom tillhandahållande av prisvärda, färdiga termiska vakuumbake-out- och termiska vakuumcyklingsprodukter – kärntekniker i preflight-kvalificeringsarbetsflödet för små satelliter och deras beståndsdelar, delsystem och instrumentation.
Marknadskontexten som utvecklas här är lärorik, en där utvecklare av små satelliter öppnar för kommersiella och vetenskapliga möjligheter inom så olika tillämpningar som astronomisk observation, fjärranalys, miljöskydd och tillgångsspårning och logistik. I hjärtat av allt, småsatellit-innovation fortskrider i takt, med etablerade och nytillkomna tillverkare, såväl som akademiska forskargrupper, som pressar in mer och mer funktionalitet i ständigt minskande nyttolaster samtidigt som hindren för tillträde till rymdindustrin.
Testa för uppdragsberedskap
Allt detta leder till ett obevekligt tryck nedåt på satellitutvecklarnas och deras ingenjörsteams kapital- och driftsutgifter – inte minst när det kommer till de krävande testprogram som krävs för att kvalificera satellitsystem för uppskjutning och, i slutändan, långsiktig drift i omloppsbana. En fallstudie i detta avseende är Centrum för astronomisk adaptiv optik (CAAO) vid Steward Observatory, forskningsgrenen vid institutionen för astronomi vid University of Arizona (Tucson, AZ). CAAO-teamet är också det senaste tillskottet till det växande nätverket av RVS-kunder och har som sådant satt leverantörens termiska vakuum (TVAC) testkammare genom driftsättning och acceptans under de senaste månaderna.
"Vi bygger prototypforskningsinstrument – inklusive adaptiva optiksystem, avancerade IR- och UV-detektorer och högpresterande kryostater – som kommer att integreras i framtida rymdbaserade småsatellitteleskop," förklarar Ewan Douglas, biträdande professor och biträdande astronom vid Steward Observatory. Douglas, å sin sida, leder en bred forskningssatsning som omfattar rymdinstrumentering, vågfrontsavkänning och kontroll och högkontrastavbildning av extrasolära planeter och skräpskivor. "TVAC-kammarens testmöjligheter kommer att göra det möjligt för oss att förbättra teknisk- och uppdragsberedskapen hos våra vetenskapliga instrument och satellitnyttolaster," tillägger han. "På detta sätt hoppas vi kunna göra University of Arizonas svar på NASA-finansieringsförslag så mycket mer övertygande."
Den operativa detaljen
För alla förlanseringstestprogram kommer instrumentutvecklare som Douglas och hans CAAO-kollegor vanligtvis att generera en modell av de temperaturextremer som ett litet satellituppdrag sannolikt kommer att uppleva en gång i omloppsbana. Det följs av ett uttömmande program av laboratoriebaserad termisk vakuumtestning – väsentligt för iteration och validering av modelleringen och för att säkerställa att alla lokaliserade värme-/kylningsenheter har önskad effekt på forskningsinstrument i frontlinjen och tillhörande hårdvara.
I det här scenariot tillåter RVS TVAC-kammaren utvecklare att utvärdera teknikprestanda längs flera koordinater. Ett termiskt vakuumcykeltest kommer till exempel att se båtens hårdvara och instrumentering genomgå sina steg och utsättas för ett "steg-och-upprepa"-program med extrema varma och kalla temperaturer i en högvakuummiljö, medan ett termiskt balanstest syftar till att demonstrera effektiviteten hos farkostens termiska styrsystem för att hålla temperaturen i nyckelsystem inom fördefinierade gränser. Det finns också ett vakuum-bake-out-krav, där satellithårdvaran värms upp till hög temperatur under högvakuum för att kvantifiera nivåerna av materialavgasning (vars produkter kan negativt påverka funktionen hos inbyggda bildsystem, termiska radiatorer, solceller och liknande).
Här finns ytterligare en möjlighet. För även om CAAO-teamet tänjer på prestandagränserna för sin rymdbaserade instrumentering, är ett parallellt engagemang för kostnadsminskning en mycket stor del av FoU-mixen – inte minst i utbyggnaden av kommersiell hårdvara (COTS) och mjukvara (snarare än utveckling av skräddarsydda tekniska lösningar). "Ett viktigt användningsfall för TVAC-kammaren är att ta COTS-produkter - t.ex. en optisk detektor eller en inbyggd dator - och se till att de fortfarande fungerar i en rymdliknande miljö", säger Douglas. "Rymdkvalificerade COTS-tekniker är grundläggande för att få ner den totala kostnaden för astronomiuppdrag med små satelliter."
Leverera kontra krav
Lika viktigt är den tyngdpunkt som RVS lägger på sina egna termiska vakuumsystem. Med andra ord betyder det termisk testning till ett välsmakande pris samtidigt som det säkerställer att användarvänlighet är av största vikt. "När RVS svarade på vår inbjudan att lämna förslag var RVS konkurrenskraftig på pris och levererade jämfört med önskad funktionalitet", konstaterar Manny Montoya, teknisk chef för CAAO, som leder ett mångsidigt team av ingenjörer, tekniker och maskinister som stödjer forskningen av Douglas och andra astronomer på Steward Observatory.
Funktionen i fråga täcker en allmän vakuumtestkammare som alla småsatellituppdrag på Tucson campus kan använda för att undersöka effekterna av extrema temperaturer i högvakuum. Dessutom ger TVAC-kammaren också Steward Observatory-astronomer möjligheten att få tillgång till vakuumregimer så låga som 10-8 Torr – ett väsentligt krav när man kvalificerar avancerad instrumentering avsedd för vetenskapliga uppdrag som Aspera. Detta NASA-projekt, som leds av astronomen Carlos Vargas från Steward Observatory, utvecklar en liten satellit för extrem UV-astrofysik som kommer att kartlägga koronalgasen i varm-hetfas runt närliggande galaxhalos (och i sin tur kasta ljus över galaxbildning och evolution) .
Termiska vakuumtestsystem: förberedelse för preflight-kvalificering av små satelliter
Ett annat måste från CAAO är vibrationsisolering, så att Douglas och hans team kan utvärdera precision adaptiva optiksystem inuti TVAC-testkammaren. I detta avseende föreslog RVS en ny lösning bestående av ett optiskt bord upphängt av pneumatiska ben utanför vakuumkammaren – en konfiguration som isolerar optiken som testas genom att dämpa eventuella vibrationer som kommer genom byggnadsgolvet (från till exempel passerande vägtrafik, eller från dörrar som öppnas och stängs).
"Genom att svara på förfrågan om förslag", avslutar Montoya, "gjorde RVS ett utmärkt jobb med att förstå CAAO:s tekniska krav och anpassa TVAC-systemet därefter – ett bevis på företagets omfattande tekniska kunskap om termisk vakuumtestning för forskning och industritillämpningar."
