KLA Mikroelektrischer Aktor für hohe und niedrige Temperaturen | Anwendung in Präzisionsbewegungsmechanismen für Satelliten

Während des Betriebs eines Satelliten im Orbit sind dessen Oberfläche und innere Struktur drastischen Temperaturschwankungen ausgesetzt: Auf der sonnenbeschienenen Seite kann die Temperatur rasch auf über +150 °C ansteigen, während sie auf der dunklen Seite oder in der kalten Dunkelheit des Weltraums abrupt auf unter -100 °C abfällt. Dieser Temperaturabfall wiederholt sich innerhalb einer Umlaufperiode von etwa 90 Minuten. Dies stellt eine hohe thermodynamische Belastung für alle beweglichen Teile des Satelliten dar. Der elektrische Hoch- und Tieftemperaturaktuator ist eine Präzisionslösung für die Bewegungssteuerung, die speziell für diese extremen Temperaturunterschiede entwickelt wurde. Durch die Auswahl von Strukturmaterialien mit optimal angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten, den Einsatz spezieller Schmierverfahren mit hoher Temperaturstabilität und die Optimierung des Antriebsalgorithmus wird sichergestellt, dass die Übertragungsgenauigkeit und das Ausgangsdrehmoment des Aktuators im Temperaturbereich von -80 °C bis +200 °C nicht wesentlich beeinträchtigt werden. Dadurch wird eine zuverlässige Energieversorgung und Positionierung für wichtige Aufgaben wie die Ausrichtung der Satellitenantenne, das Ausfahren der Solarflügel, die Fokussierung optischer Lasten und den Betrieb von Manipulatoren gewährleistet.
Im Laserkommunikationsterminal eines Satelliten erfordert die Erfassung und Nachführung des Laserstrahls von einer Bodenstation oder einem Relaissatelliten eine Ausrichtungsgenauigkeit im Mikroradian-Bereich. Der zweidimensionale Ausrichtungsmechanismus im Terminal muss dabei auch bei hohen und niedrigen Temperaturen eine sehr hohe Winkelauflösung gewährleisten. Der elektrische Hoch- und Tieftemperaturaktuator mit seiner Bewegungsauflösung von ca. 1 nm und dem hochpräzisen Winkelgeber ermöglicht es dem Terminal, die durch thermische Verformung verursachte Ausrichtungsabweichung präzise zu kompensieren und so eine stabile Kommunikationsverbindung herzustellen. In einem vollständigen Temperaturzyklustest des Orbitzyklus wurde der elektrische Hoch- und Tieftemperaturaktuator hinsichtlich seines Rückstellspiels und seiner Positioniergenauigkeit bei verschiedenen Sollwerten für normale, niedrige und hohe Temperaturen überprüft. Die Testergebnisse zeigen, dass sein mechanisches Spiel im gesamten Temperaturbereich innerhalb der zulässigen Toleranz bleibt. Diese Fähigkeit, die Genauigkeit über den gesamten Lebenszyklus hinweg zu erhalten, ist besonders wichtig für Kommunikationssatelliten in hohen Umlaufbahnen mit einer geplanten Lebensdauer von mehr als zehn Jahren, da der Satellit im Orbit nicht repariert oder ausgetauscht werden kann. Darüber hinaus ermöglicht die Vakuumverträglichkeit des elektrischen Hoch- und Tieftemperaturaktuators dessen normalen Betrieb in der Vakuumumgebung des Satellitenmoduls, ohne dass es aufgrund von Entlüftungs- oder Entladungsphänomenen in der Niederdruckumgebung zu Beeinträchtigungen der Leistung seiner eigenen oder benachbarter elektronischer Geräte kommt.
Beim SAR-Satelliten müssen alle Ausfahrgelenke und Verriegelungsmechanismen der ausfahrbaren Reflektorantenne nach dem Erreichen der Umlaufbahn beim ersten Mal erfolgreich ausgefahren werden. Vor dem Ausfahren werden diese Mechanismen am Boden einem extrem strengen thermischen Vakuumzyklus unterzogen. Dabei liefert der Hoch- und Tieftemperatur-Elektroaktor nicht nur die Ausfahrenergie, sondern sorgt am Ende des Ausfahrvorgangs auch für eine präzise Pufferung und Positionskontrolle, um Verformungen des Reflektors durch zu starke Stöße zu vermeiden. Gleichzeitig ist der Hoch- und Tieftemperatur-Elektroaktor auch für die Feinjustierung der Schubrichtung und damit für einen Bahnwechsel mit maximaler Treibstoffeffizienz auf den Schwungrad- und Schubvektorjustierungsmechanismus des Satelliten angewiesen. Bei Tiefraummissionen befindet sich das Raumfahrzeug in extrem großer Entfernung von der Sonne und die Umgebungstemperatur ist extrem niedrig. Daher ist die Kaltstartfähigkeit des Hoch- und Tieftemperatur-Elektroaktors von entscheidender Bedeutung. Nach mehrmonatiger Kälteruhe während der Gleitphase muss der Aktor reibungslos in Betrieb gehen und voreingestellte Aktionen ausführen können, wie beispielsweise das Öffnen des Scanmechanismus der wissenschaftlichen Nutzlast oder die Neuausrichtung der Hochgewinnantenne. Jedes Konstruktionsdetail des Hoch- und Tieftemperatur-Aktors spiegelt die Weiterentwicklung der Ingenieurskunst wider, die auf einem tiefen Verständnis der extremen Weltraumbedingungen beruht. Sein zuverlässiger Betrieb ist direkt mit dem Erfolg oder Misserfolg der Satellitenmission verknüpft. Ob es sich um die schnelle Wiederanfahrt der LEO-Fernerkundungskonstellation oder die präzise Steuerung der Tiefraumsonde über Hunderte von Millionen Kilometern handelt – Hoch- und Tieftemperatur-Aktoren sind die grundlegenden elektromechanischen Komponenten dieser Weltraumaktivitäten. Ihre lange Lebensdauer und der geringe Stromverbrauch erfüllen zudem die strengen Ressourcenbeschränkungen für Weltraumprodukte. Die Anwendungsbereiche von Hoch- und Tieftemperatur-Aktoren erweitern sich von traditionellen Satellitenplattformen auf komplexere Systeme wie bemannte Raumfahrzeuge und Manipulatoren für Raumstationen und eröffnen damit vielversprechende Perspektiven für Anwendungen in der Raumfahrttechnik.