deutsches sofia institut

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.“
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