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Hohlwellenschleifringe von Servotecnica optimieren Satellitentracking

Elektrische Antriebstechnik
Hohlwellenschleifringe von Servotecnica optimieren Satellitentracking

Für den Betrieb eines Satelliten ist eine Bodenstation erforderlich, die vom Satelliten gesendete Telemetriedaten empfängt und ihn bei Bedarf über Telekommandos steuert. Diese Kommunikation funktioniert nur, wenn die Satellitenposition hinreichend genau bekannt ist. Im Rahmen eines studentischen Forschungsprojektes in Darmstadt wurden dafür jetzt neue technische Ansätze entwickelt und in der Praxis erprobt. Ein SVTS-C-Schleifring von Servotecnica spielt bei den nächsten Optimierungsschritten der selbstkonstruierten Bodenstation eine wichtige Rolle.

»Christian Becker, Geschäftsführer Servotecnica GmbH, Raunheim

Inhaltsverzeichnis
1. Untersuchung zu Problemen des Satellitentrackings
2. Extremwertregelung erhöht die Trackinggenauigkeit
3. Hohlwellenschleifringe: Drehung ohne Kabelschäden
4. Hohlwellendurchmesser des Schleifrings Auswahlkriterium
5. Hohlwellenschleifringe: eine neue Bodenstation
6. Hohlwellenschleifringe: vielseitige Einsatzmöglichkeiten

Der TU Darmstadt Space Technology e.V. (TUDSaT) ist eine akkreditierte Hochschulgruppe, die sich zum Ziel gesetzt hat, die studentische Raumfahrtforschung in Darmstadt voranzutreiben. Der 2016 gegründete Verein, in dem auch die Ingenieurstudenten Fabian Burger und Alexander Klingeberg Mitglied sind, widmet sich unter anderem der Entwicklung eines sogenannten CubeSats und einer leistungsfähigen Höhenforschungsrakete.

CubeSats sind Kleinsatelliten von 10 x 10 x 10 cm Kantenlänge, die im Aufbau und den Hardwareschnittstellen international standardisiert sind und von jedem Weltraumtransporteur mitgeführt und im All ausgesetzt werden können. Sie tragen individuelle Experimente, Messaufgaben oder andere Funktionen in den Weltraum. Das Ziel der geplanten Satellitenmission ist unter anderem die Demonstration neuartiger Technologien, die zur Minimierung der von Weltraumschrott ausgehenden Gefahren beitragen sollen. Als Sekundärmission werden auch ein Gamma-Strahlungsexperiment und ein Experiment zur Messung der freien Ladungen in der Hochatmosphäre von diesem CubeSat mit in den Orbit genommen.

Untersuchung zu Problemen des Satellitentrackings

Im Rahmen der Bachelorarbeit des CubeSat-Projektleiters Burger, zum Thema „Satellitentracking mittels Extremwertregelung“, wird ein neuartiger Regelungsalgorithmus zur Nachführung der Bodenstation entwickelt und seine Funktion praktisch demonstriert. Hintergrund der Forschungsarbeit ist, dass die auf Basis der bekannten Bahnparameter generierten Positionsdaten eines Satelliten durch verschiedene Störeinflüsse wie Luftwiderstand oder Drittkörper bereits nach einigen Tagen an Genauigkeit verlieren. Der Einfluss der Bahnstörungen auf die Genauigkeit der Antennenausrichtung nimmt in niedrigen Bahnhöhen zu, da sich dort der Luftwiderstand der Restatmosphäre besonders stark bemerkbar macht. Wie häufig eine Aktualisierung der Bahnparameter durchgeführt wird, hängt von der Relevanz des Objekts ab. Das Aktualisierungsintervall kann zwischen einigen Stunden und einigen Tagen variieren. Auf herkömmlichem Wege würde eine Bodenstation die Nachführung auf die aktuelle Satellitenbahn dann auf Basis veralteter Parameter durchführen, was zu Kommunikationsproblemen führt.

Extremwertregelung erhöht die Trackinggenauigkeit

Burger hat deshalb ein neues Verfahren auf Basis einer Extremwertregelung entwickelt. Ziel ist es dabei, die Empfangsleistung des Satellitensignals immer so groß wie möglich zu halten. Das ist dann der Fall, wenn die in diesem Fall verwendete Parabolantenne genau auf den Satelliten zeigt. Dazu wird mit der Antenne der letzte bekannte Punkt aus den alten Bahnparametern angepeilt und dann mit der motorisch verstellbaren Antenne der Bodenstation „umkreist“. Zum Satelliten hin wird die Empfangsleistung dabei höher und umgekehrt geringer. Im Laufe des Überfluges richtet sich die Antenne korrekt aus und kann dem Satelliten dann wieder kontinuierlich folgen. Im von Burger in der Bachelorarbeit simulierten Beispiel gewährleistete die Extremwertregelung im Gegensatz zum herkömmlichen Ansatz nach bereits 20s eine akkurate Ausrichtung und damit die Kommunikation mit dem Satelliten. Im Vergleich zur Überflugdauer von 8 min. kann dieses Ergebnis als sehr gut bewertet werden.

Hohlwellenschleifringe: Drehung ohne Kabelschäden

Auch Alexander Klingeberg, der im Projekt eng mit Burger zusammenarbeitet, ist aus Interesse an der Luft- und Raumfahrt zur TUDSaT gekommen und arbeitet mit seinem Bachelor-Studium im Fach Maschinenbau gezielt auf diesen Branchenzweig hin. Bei der Arbeit mit der ersten Version der Satellitenbodenstation stieß er immer wieder auf ein gravierendes Problem: Bewegt sich die Antenne beim Tracking, so zieht sie sämtliche Kabel für das drehbare Antennenoberteil nach. Am Ende der Bahn muss sie wieder zurückgestellt werden, damit sich die Kabel nicht verschlingen oder gar abreißen. Dabei schleifen die Kabel am Boden oder bleiben am Ständer hängen. An einen unbeaufsichtigten Betrieb auf dem Dach ist mit diesem Aufbau also nicht zu denken. Mit einem passenden Schleifring in der Azimutachse wäre eine freie Endlosdrehung der Konstruktion möglich und Kabelverschleiß kein Thema mehr.

Hohlwellendurchmesser des Schleifrings Auswahlkriterium

Bei der Recherche nach passenden Schleifringen fand Klingeberg überraschend wenige, die eine Hohlwelle mit einem Außendurchmesser von maximal 100 mm und einen Innendurchmesser von mindestens 14 mm bieten, wie er für die Optimierung der Bodenstation erforderlich ist. Bei Servotecnica wurde er schließlich fündig. Auch Signalkabel und eine Ethernet-Leitung mit hoher Bandbreite für die Übertragung großer Datenmengen gehörten zu den Hauptauswahlkriterien für einen Schleifring. Die Bodenstation soll später in der Praxis auch für den Start und die Verfolgung der geplanten Höhenrakete umgerüstet werden. Der Hohlwellenschleifring sollte also gegebenenfalls auch Signalleitungen und Bandbreite in Reserve haben. Servotecnica-Geschäftsführer Christian Becker empfahl die vielseitige SVTS-C-Serie in der speziellen Ethernet-Version. Für die dauerhafte Außenaufstellung auf dem Institutsdach kam nur ein gekapselter Schleifring in Schutzart IP65 in Frage.

Hohlwellenschleifringe: eine neue Bodenstation

Der äußere Teil des Hohlwellenschleifrings wird in der neuen Bodenstation mit dem statischen Unterteil, also dem Ständer fest verschraubt. Der Schleifring selbst sitzt in der Azimutachse. Die Leistungskabel des Schleifrings versorgen primär den oberhalb der Azimutachse liegenden Verstellmotor für den Elevationswinkel der Parabolantenne. Aber auch Kleinteile wie ein Raspberry Pi oder der Empfängerverstärker sollen darüber mit Strom versorgt werden. Fünf Leistungskreise am Schleifring werden für die Stromversorgung mit 48 VDC und max. 4,2 A genutzt. Zusätzlich müssen zehn Signale unter 2 A bei 24 und 12 VDC übertragen werden. Hinzu kommen die Satellitendaten, die über die Ethernet-Verbindung an einen größeren Rechner zur Verarbeitung weitergeleitet werden. Die Verstellung der Azimutachse erfolgt durch einen unterhalb gelegenen Schrittmotor mit einem Präzisionsgetriebe. Durch die Hohlwelle wird die Dreh- und Halteachse der Parabolantenne geführt, da der Schleifring selbst keine mechanischen Lasten tragen kann.

Hohlwellenschleifringe: vielseitige Einsatzmöglichkeiten

Der für das Forschungsprojekt bereitgestellte Hohlwellenschleifring SVTS C 05-U-A-12/00–0500/0500-ST-E1G mit Standardflansch ist 137,2 mm lang, hat einen Innendurchmesser von 38,1 mm und einen Außendurchmesser von 99 mm. Der gekapselte Schleifring integriert 12 Stromkreise mit bis zu 15 A je Kreis zur Leistungsübertragung. Sie sind für Spannungen von maximal 600 Volt (Wechsel- oder Gleichstrom) ausgelegt. Die Besonderheit dieser speziellen Schleifringausführung sind 21 zusätzliche Kreise für 1000BaseT-Ethernet, die über einen separaten CAT6-RJ45-Anschluss verbunden werden. Die hohe Datenrate ist für das Projekt zur Übertragung der umfangreichen Satellitendaten erforderlich. Der Schleifring ist für einen Temperaturbereich von -20 bis +80 °C ausgelegt und wird standardmäßig mit 500 mm langen Anschlusskabeln auf beiden Seiten geliefert. Auf Wunsch sind aber auch Vielfache dieser Länge möglich.

Die Schleifringe der Serie mit Hohlwellen von 3 bis 100 mm Durchmesser haben sich mit ihren 13 Modellreihen und zahlreichen Baugrößen bereits für Anwendungen in Converting-, Verpackungs-, CNC- und Pharma-Maschinen bewährt. Die kosteneffizienten Schleifringe des Raunheimer Unternehmens können neben elektrischen Signalen und Leistung auch mit Feldbussen und fluidischen Leitungen ausgestattet werden. Ausgelegt sind die robusten Schleifringe im Hartplastikgehäuse aus ABS und mit Kugellagern aus Stahl auf eine Lebensdauer von 108 Umdrehungen. Neben der Fertigung von Serienkomponenten setzt der Hersteller seine Fertigungskompetenz auch für die Herstellung kundenspezifischer Komplettpakete ein. Im Laufe des Jahres soll eine neue optimierte Version der Bodenstation unter Verwendung des Schleifringes an der Azimutachse aufgebaut werden. In zwei bis drei Jahren wird sie dann den ersten eigenen CubeSat des TUDSaT e. V. dank zuverlässiger Drehung und hochgenauer Extremwertregelung auf seiner Umlaufbahn verfolgen. (jg)

Mehr Informationen zu den Hohlwellenschleifringen von Servotecnica:

hier.pro/FTVWX

Kontakt:
Servotecnica GmbH
Kelsterbacher Str. 20
65479 Raunheim
Tel. +49 6142–7936039
info@servotecnica.de
www.servotecnica.de

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