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PRAXIS
PRACTICE
NEUE TECHNOLOGIEN
Vibrationsfrei und exakt fixiert
Bei der Aufhängung des Infrarot-Teleskops
in der zur fliegenden Sternwarte umgebauten Boeing 747 SP kam es darauf an, alle Vibrationen abzufangen und das Teleskop
exakt in seiner Position zu fixieren. Gelöst
wurde diese Aufgabe mit Hilfe eines Luftfedersystems auf Basis eines selbstverlöschenden Elastomeres, das die hohen Anforderungen der Nasa erfüllt.
Von der für die astronomische Forschung umgebauten Boeing 747 SP aus wollen
Wissenschaftler weitere Geheimnisse des Weltraums ergründen.
SICHERER HALT
FÜR WELTRAUMTELESKOP
LUFTFEDERSYSTEM An Bord der fliegenden Sternwarte Sofia (Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie) sorgt ein komplexes System aus 24 Luftfedern für vibrationsfreie Arbeitsbedingungen. Sofia ist eine zum
Labor umgebaute Boeing 747 SP, die in 14 km Höhe die Entstehung von Sternen und Planetensystemen erforschen wird.
D
as Projekt Sofia soll grundlegende
Fragen der galaktischen und extragalaktischen Astronomie beantworten, zum Beispiel die Bildung von
Sternen und Planetensystemen sowie
den Ursprung des Sonnensystems. Herzstück ist ein 17 t schweres Infrarot-Teleskop mit höchster räumlicher Auflösung,
das im Flugzeugheck durch eine Luke
nach draußen blickt. Aus 14 km Höhe
öffnet es den Blick für diejenigen Bereiche des Infrarot-Spektrums, die erdgebundenen Observatorien verschlossen
sind, weil die Beobachtung der vielen infrarot strahlenden Himmelskörper durch
den Wasserdampf in der Erdatmosphäre
sprichwörtlich vernebelt wird. Der Primärspiegel des Teleskops hat einen
Durchmesser von 2,7 m. Damit wird So-
Autor
Bernd Stöter, Produktentwicklung, ContiTech
Air Spring Systems, Hannover, [email protected], www.contitech.de
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KGK ‚ Dezember 2007
fia um ein Vielfaches höher aufgelöste
Messergebnisse liefern, als es das bis 1995
betriebene Kuiper Airborne Observatory,
eine umgebaute Lockheed Transporter
L200, vermochte.
Die Luftfedertechnik, ansonsten überwiegend in Nutz- und Schienenfahrzeugen sowie in Maschinen und Anlagen
eingesetzt, spielt an Bord von Sofia eine
Schlüsselrolle. Das Teleskop ruht auf einem Vibrations-Isolationssystem (VIS),
das aus einem Luftfedersystem und silikonölbefüllten Dämpfern besteht. Es garantiert die Funktionalität des Teleskops
auf mehrfache Art und Weise: Es absorbiert störende Vibrationen, die einerseits
vom Flugzeug selbst ausgehen andererseits bei geöffneter Luke durch die Windströmung verursacht werden. Mit Hilfe
seiner Regelelektronik und -sensorik hält
es außerdem das Teleskop exakt in seiner
Position. Dadurch bleibt das hochempfindliche Instrument jederzeit perfekt auf
das Beobachtungsziel ausgerichtet und
liefert einwandfreie Bilder.
Das Luftfedersystem arbeitet selbst bei
den extremen Einsatzbedingungen in
dem Stratosphären-Observatorium sehr
präzise. In der vom Laborraum separierten Teleskopkammer herrschen bei geöffneter Beobachtungsluke -60 °C und ein
Fünftel des normalen Luftdrucks. Trotz
des mit jeder Flughöhenänderung variierenden Luftdrucks fixiert das Luftfedersystem das Teleskop unverrückbar in seiner ursprünglichen Stellung.
Im sicheren Griff von 24 Luftfedern
Hersteller des aus 24 Ein- bzw. Zweifaltenbälgen bestehenden Systems ist ContiTech Air Spring Systems, Hannover. Das
gesamte Engineering von der Auslegungsberechnung bis zur Endmontage
am amerikanischen Nasa-Stützpunkt
übernahm der Systempartner CFM Schiller aus Roetgen. Zwölf Luftfedern der
komplexen Konstruktion sind in axialer
Richtung angeordnet, um die Druckdifferenz zwischen dem Flugzeuginneren und
der Teleskopkammer auszugleichen und
Vibrationen der x-Achse zu isolieren.
Weitere zwölf Luftfedern in radialer Ausrichtung haben die Aufgabe, das Teleskop
anzuheben und es von Vibrationen der yund der z-Achse zu isolieren. Drei Dämpfer, die sich im 120°-Winkel zwischen
Die speziell für Sofia entwickelten Luftfedern sind für die Arbeit unter
Extrembedingungen ausgelegt und erfüllen unter anderem die Nichtbrennbarkeitsanforderungen der Nasa.
den radial angeordneten Luftfedern befinden, sind in allen sechs Freiheitsgraden wirksam.
Die Druckluftzufuhr erfolgt über Höhenregelventile, die unabhängig voneinander einzelne Gruppen von Luftfedern ansteuern. Die axial ausgerichteten Luftfedern werden über ein redundantes Leitungssystem versorgt. Redundant heißt
hier, dass jeder Luftfeder ein Ventil vorgeschaltet ist, das bei Stromausfall
schließt und den Druck in den Luftfedern
aufrechterhält.
Für Frequenzen oberhalb der Eigenfrequenz des Vibrations-Isolationsystems
(etwa 2,5 Hz) ist der Isolierungsgrad des
Luftfedersystems ausreichend. Bei langsamen Bewegungen, wie sie durch Windströmung auftreten, wird das Teleskop
durch Regulierung der Luftmenge in seiner Position gehalten.
Ein System aus 24 axial und radial ausgerichteten Luftfedern isoliert
störende Vibrationen und hält das 17 t schwere Infrarot-Teleskop exakt
in seiner Position.
Hohe Anforderungen an
den Werkstoff
Das Projekt Sofia bedeutet einen völlig
neuen Anwendungsfall für Luftfedertechnik. Auch materialtechnisch stellt es
eine besondere Herausforderung dar. Die
speziell entwickelten Luftfederbälge sind
aus einem selbstverlöschenden Elastomer gefertigt; das Brandverhalten der
Luftfedern war ein wichtiges Kriterium
für die Werkstoffwahl. Darüber hinaus ist
das verwendete Elastomer beständig gegen UV-Einwirkung und kosmische
Strahlung. Ferner schützt sein geringer
Oberflächenwiderstand das Teleskop vor
elektrostatischer Aufladung.
Sofia absolvierte in diesem Jahr bereits
erfolgreich die ersten Testflüge. Weitere
sollen folgen, ehe ab Ende 2008 der Forschungsbetrieb aufgenommen wird. Die
fliegende Sternwarte wird von Kalifor-
nien, Neuseeland und Deutschland aus
rund 160-mal jährlich zu Beobachtungsexkursionen abheben. Insgesamt ist für
das Observatorium eine Betriebsdauer
von rund 20 Jahren vorgesehen.
Nasa und DLR forschen gemeinsam
Sofia ist ein Gemeinschaftsprojekt der
amerikanischen Raumfahrtbehörde Nasa
und des Deutschen Zentrums für Luftund Raumfahrt (DLR). Mit der Vorbereitung und Durchführung der Betriebsphase ist das neu gegründete Deutsche
Sofia-Institut (DSI) an der Universität
Stuttgart beauftragt. Rund 20 Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker
übernehmen wissenschaftliche und organisatorische Aufgaben im Nasa-Betriebszentrum nahe San Francisco und in
Stuttgart.
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