DEUTSCHES SOFIA INSTITUT ENTWICKLUNG DER FLIEGENDEN STERNWARTE VON DLR/ NASA MIT DER SOLIDWORKS RESEARCH EDITION Das DSI vertraute bei der Zusammenarbeit und Kommunikation des Teams während der Entwicklung des Stratosphären-Observatoriums für Infrarot Astronomie (SOFIA), der einzigen fliegenden Sternwarte der Welt, auf die Konstruktions- und Analysewerkzeuge der SOLIDWORKS Research Edition. Herausforderung: Entwicklung und Optimierung von Teleskopstabilisierung, Tracking-Kamera und Schnittstellensystemen für das StratosphärenObservatorium für Infrarot Astronomie (SOFIA), eine fliegende Sternwarte. Lösung: Verwendung der Software SOLIDWORKS Research Edition als primäre Entwicklungsumgebung für Konstruktion und Optimierung der Teleskopstabilisierung, Tracking-Kamera und Schnittstellensysteme. vonnöten. DSI wählte die SOLIDWORKS ® Research Edition, da sie benutzerfreundlich ist, Konstrukteure Zugriff auf die integrierten SOLIDWORKS Simulation Tools haben und SOLIDWORKS bei den Projektteilnehmern beliebt ist. „Wir haben uns in erster Linie für SOLIDWORKS entschieden, weil die meisten unserer Branchenpartner SOLIDWORKS verwenden“, erklärt Yannik Lammen, ein Doktorand im Bereich Maschinenbau der Universität Stuttgart, der an den strukturellen Optimierungen der Vibrations- und Rotationsisolationssysteme des Teleskops arbeitet. „Ich und mindestens ein Kollege hatten SOLIDWORKS vor diesem Projekt noch nie verwendet. Die Software ist aber so leicht zu benutzen, dass ich nur eine Woche brauchte, um es zu lernen.“ Vorteile: • Unterstützung von wichtigen Errungenschaften in der Astronomie • Optimierte Schnittstelle mit Teleskop/ Tracking-Kamera • Verringertes Gewicht der Teile dank Simulationstools • Einfache Zusammenarbeit und Kommunikation im Entwicklungsteam Bei dem Stratosphären-Observatorium für Infrarot Astronomie (SOFIA) handelt es sich um eine restaurierte Boeing 747 SP, die mit einem 2,7-m-Infrarotteleskop ausgestattet ist, was sie zur einzigen fliegenden Sternwarte der Welt macht. Mit diesem innovativen Forschungsflugzeug können Forscher das Infrarotspektrum von Licht von der Stratosphäre aus sehen, auf deren Höhe SOFIA fliegt. Vom Boden aus ist es nämlich nur teilweise sichtbar. Es wurde in einer Partnerschaft vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der U.S.-amerikanischen National Aeronautics and Space Administration (NASA) entwickelt. Die wissenschaftliche Nutzung von SOFIA wird vom Deutschen Sofia Institut (DSI), das sich an der Universität Stuttgart befindet, und der Universities Space Research Association (USRA) in den Vereinigten Staaten koordiniert. Ein Konsortium der deutschen Industrie konzipierte und fertigte das Teleskop für das DLR. Das DSI entwickelte die Vibrations- und Rotations­ isolationssysteme, die Tracking-Kameras und die Teleskop-/ Trackingsystemschnittstelle. Die NASA war für die Anpassung des Langstreckenflugzeugs, die Installation des Teleskops, Flugtests und Betrieb zuständig. Der Hauptvorteil von SOFIA im Vergleich zu Teleskopen am Boden liegt darin, dass Astronomen die Sternwarte an genau dem Ort positionieren können, an dem seltene Ereignisse am Himmel beobachtet werden können, z. B. Bedeckungen. Außerdem können Beobachtungen aus der nördlichen und südlichen Hemisphäre mit denselben Instrumenten gemacht werden. Das von Weltraumobjekten ausgestrahlte Infrarotlicht ist für Wissenschaftler von besonderem Interesse und vom Boden aus nur teilweise sichtbar. Dies liegt in erster Linie daran, dass Wasserdampf in der Atmosphäre der Erde den Durchgang der Infrarotstrahlung blockiert. Aus einer Höhe von 13 Kilometern in der Stratosphäre hindert jedoch fast nichts an einer Beobachtung der astronomischen Objekte im Infrarotspektrum. Laut Dr. Dörte Mehlert von der Universität Stuttgart entwickelte das DSI einen Großteil der SOFIA Systeme in Zusammenarbeit mit Studenten und Doktoranden der Universität. Um die Zusammenarbeit und Entwicklung so einfach wie möglich zu gestalten, war eine gemeinsame 3D-Konstruktionsumgebung „Mit den SOLIDWORKS Simulation Tools habe ich linearstatische Spannungs- und Wärmeausdehnungsstudien der Kamera-/ Teleskopschnittstellenkomponenten durchgeführt. Das Gewicht ist bei Raumfahrtprojekten entscheidend. Mit SOLIDWORKS Simulation konnte ich das Material und Gewicht der Komponenten bei geringer Betriebsspannung reduzieren und die Teile gleichzeitig bei hoher Spannung stärken.“ — Jan Drendel, Maschinenbaustudent SIMULATION VON STRATOSPHÄRISCHEN BEDINGUNGEN Das SOFIA Entwicklungsteam nutzte die SOLIDWORKS Modellierungssoftware, um die verschiedenen Baugruppen und Komponenten zu konstruieren, die für die Stabilisierung von Teleskop und Tracking-Kameras während des Flugs erforderlich sind. Sie verwendeten ebenfalls die SOLIDWORKS Simulation Tools zur Prüfung und Optimierung der Leistungsfähigkeit ihrer Konstruktion in der anspruchsvollen Umgebung eines sich bewegenden Flugzeugs in der Stratosphäre. „Das SOFIA Flugzeug wackelt und bewegt sich die ganze Zeit . Außerdem muss das Teleskop in einem großen Temperatur- und Druckbereich funktionieren“, erklärt Jan Drendel, Maschinenbaustudent an der Universität Stuttgart, der an der Schnittstelle zwischen den drei Tracking-/ Positionierungskameras und dem Teleskop arbeitete. „Das System ist am Boden der kalifornischen Hitze und in der Stratosphäre Temperaturen von fast -40 °C ausgesetzt. Mit den SOLIDWORKS Simulation Tools habe ich linearstatische Spannungs- und Wärmeausdehnungsstudien der Kamera-/Teleskopschnittstellenkomponenten durchgeführt“, fährt Drendel fort. „Das Gewicht ist bei Raumfahrtprojekten entscheidend. Mit SOLIDWORKS Simulation konnte ich das Material und Gewicht der Komponenten bei geringer Betriebsspannung reduzieren und die Teile gleichzeitig bei hoher Spannung stärken.“ Das Deutsche SOFIA Institut im Fokus Weitere Informationen www.dsi.uni-stuttgart.de LEICHTERE ZUSAMMENARBEIT Zusätzlich zur leichteren Zusammenarbeit und Kommunikation im Konstruktionsteam – z. B. bezüglich des Hin und Hers bei der Stabilisierung des Teleskops und der Positionierung der Kamera-/Teleskopschnittstelle – vereinfachte die SOLIDWORKS Konstruktionsumgebung auch die Interaktion mit anderen Teams, die für Elektronik-, Software- und Optikentwicklung zuständig waren. „An diesem Projekt waren viele andere Bereiche beteiligt“, sagt Lammen. „Die erweiterten Funktionen zur Visualisierung der Konstruktion in SOLIDWORKS – einschließlich der Werkzeuge für Rendering und Animation – erleichterten die Kommunikation zwischen den verschiedenen Bereichen sowie den in die Montage und Demontage involvierten Partnern“, meint Lammen. WICHTIGE ASTRONOMISCHE ERRUNGENSCHAFTEN Das SOFIA Entwicklungsteam nutzte die SOLIDWORKS Research Edition, um die verschiedenen Baugruppen und Komponenten zu konstruieren, die für die Stabilisierung des Teleskops und der Tracking-Kameras während des Flugs erforderlich sind. Außerdem verwendete es die Software zur Prüfung und Optimierung der Leistungsfähigkeit seiner Konstruktion in der anspruchsvollen Umgebung eines sich bewegenden Flugzeugs in der Stratosphäre. Die Entwicklung der fliegenden Sternwarte SOFIA, die ihren ersten wissenschaftlichen Flug 2010 absolvierte und offiziell im Mai 2014 in Betrieb ging, führte zu einer Reihe an astronomischen Errungenschaften. Darunter die Pluto-Bedeckung, als sich der Schatten Plutos über die Erde bewegte; die Entdeckung zweier neuer Moleküle in der interstellaren Materie, Schwefelhydrid und deuteriertes Hydroxyl; sowie Entdeckungen bei Gasdynamik und Sternbildung im Zentrum unsere Galaxie, der Milchstraße. „SOFIA kann zum richtigen Zeitpunkt am richtigen Ort sein“, sagt Lammen. „Ich war auf jeden Fall zur richtigen Zeit am richtigen Ort. Es war einfach eine einmalige Gelegenheit, an der Entwicklung einer echten astronomischen Innovation mitzuarbeiten.“ Die 3DEXPERIENCE Umgebung bildet die Grundlage unserer, in 12 Branchen eingesetzten, Anwendungen und bietet ein breites Spektrum an Branchenlösungen. Dassault Systèmes, die 3DEXPERIENCE® Company, stellt Unternehmen und Anwendern „virtuelle Universen“ zur Verfügung und rückt somit nachhaltige Innovationen in greifbare Nähe. Die weltweit führenden Lösungen setzen neue Maßstäbe bei Konstruktion, Produktion und Service von Produkten. Die Lösungen zur Zusammenarbeit von Dassault Systèmes fördern soziale Innovation und erweitern die Möglichkeiten, mit Hilfe der virtuellen Welt das reale Leben zu verbessern. Die Gruppe schafft Mehrwert für mehr als 210.000 Kunden aller Größenordnungen, in sämtlichen Branchen, in über 140 Ländern. Weitere Informationen finden Sie unter www.3ds.com/de. Europa /Mittlerer Osten /Afrika Dassault Systèmes 10, rue Marcel Dassault CS 40501 78946 Vélizy-Villacoublay Cedex Frankreich Nord-, Mittelund Südamerika Dassault Systemes Deutschland GmbH Dassault Systèmes 175 Wyman Street Waltham, MA 02451-1223 USA +49-(0)89-960-948-400 [email protected] ©2017 Dassault Systèmes. Alle Rechte vorbehalten. 3DEXPERIENCE®, das Kompasssymbol, das 3DS Logo, CATIA, SOLIDWORKS, ENOVIA, DELMIA, SIMULIA, GEOVIA, EXALEAD, 3D VIA, 3DSWYM, BIOVIA, NETVIBES, IFWE und 3DEXCITE sind Handelsmarken oder eingetragene Marken von Dassault Systèmes, einer Europäischen Gesellschaft (SE) mit Sitz in Frankreich (Versailler Handelsregisternummer B 322 306 440), oder deren Tochterunternehmen in den USA und/oder anderen Ländern. Alle anderen Marken sind das Eigentum ihrer jeweiligen Inhaber. Die Verwendung der Marken von Dassault Systèmes oder deren Tochterunternehmen ist nur mit ausdrücklicher, schriftlicher Genehmigung gestattet. 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