Studentische Arbeitsgruppe Raumfahrttechnik
- eine Nachwuchsgruppe der DGLR -
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SSETI Express
Der EXPRESS Satellit ist etwa 60x60x65cm3 groß, hat ein Gewicht von 62kg und wurde am 27. Oktober 2005 mit einer russischen Trägerrakete COSMOS-3M auf einen sonnensynchronen Orbit (Höhe 686km, Inklination 98,3°) gebracht. Mit an Bord ist auch das Lageregelungssystem (Attitude Control System - ACS) des Stuttgarter Teams, welches im Rahmen einer zweiwöchigen Testkampagne im Orbit qualifiziert werden soll.
Das Design des Antriebssystems
Das entworfene Antriebssystem, in der Konfiguration als Nutzlast der EXPRESS Mission, ist nur für die Qualifikation des Lageregelungssystemes geplant. SSETI Express verfügt darüber hinaus über ein operationelles Lageregelungs- system, welches mit Magnetometern und Magnetspulen arbeitet. Bei einem Ausfall des Kaltgassystems kann der Satellit damit jederzeit in eine sichere Fluglage gebracht werden. Dieses System wird vom dänischen Team bereitgestellt.
Die wichtigsten Aspekte des Designs für ein von Studenten gebautes Antriebssystem sind Kosten, Sicherheit und ein möglichst einfacher technischer Ansatz. Aufgrund der Sicherheitsrisiken ist es für Studenten unmöglich ein System zu verwenden, welches mit giftigen Treibstoffen operiert. Auch elektrische Antriebe, welche aufgrund ihres hohen Strombedarfs große Solarzellen benötigen, widersprechen dem Wunsch nach einem einfachen System.
Da das Projekt vollständig von Sponsoren finanziert wird, müssen alle Komponenten außerdem preiswert und zuverlässig sein. Davon ausgehend entschieden sich die Stuttgarter Studenten ein Kaltgasantriebssystem zu verwenden, welches gasförmigen Stickstoff als Treibstoff verwendet.
Um die Kosten zu reduzieren, wurden so wenig weltraumqualifizierte Teile wie möglich eingesetzt. Ein Beispiel dafür ist der Tank, welcher den Treibstoff mit einem Druck von 300bar bereitstellt. Normalerweise sind derartige Tanks in Titanaus- führung sehr teuer, da sie zahlreiche Belastungs- tests überstehen müssen und trotzdem noch sehr leicht sein sollen. Die Studenten entschieden sich dafür, eine leichte, komplett aus Kohlefaser gefertigte Atemgasflasche einzusetzen, welche durch ihren Einsatz bei der Feuerwehr bereits vorqualifiziert war.
Um den Druck bis zum gewünschten Arbeitsbereich der Düsen zu regulieren, wird das sogenannte Propellant Management System (PMS) verwendet. Zur Erhöhung der Genauigkeit erfolgt die Regelung dabei über zwei Drucklevel. Um den Druck in allen drei Bereichen kontrollieren zu können wurden drei Drucksensoren eingebaut. Desweiteren gibt es zwei Ventile mit denen der Tank gefüllt bzw. das Antriebssystem getestet werden kann. Aus Sicherheitsgründen wurde außerdem ein pyrotechnisches Ventil eingebaut, welches den Hochdruckbereich während der Startphase sichert. Im Falle eines Fehlers im Düsenbereich kann die Treibstoffzufuhr mit einem weiteren Sicherheitsventil abgeschaltet werden.Nach dem PMS wird der Treibstoff durch Edelstahlleitungen zu den zwei ACS Düseneinheiten (ACS Cluster) gefördert. Jede Düseneinheit besteht dabei aus zwei Düsen, welche in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind. Durch die ACS Cluster ist eine Lageregelung des Satelliten um alle drei Achsen möglich. Da die Düsenventile sehr klein sein müssen, wurden an dieser Stelle Ventile aus der Medizintechnik eingesetzt.
Zusammenbau, Integration und Test
Aufgrund der großen Vorarbeit, welche bereits im Rahmen der Arbeit an ESEO geleistet wurde, konnte das Design für das Lageregelungssystem an Bord von EXPRESS bereits drei Monate nach dem Kick-Off Meeting fertiggestellt werden.
Nach anfänglichen Problemen bei der Sponsorensuche konnten im Juni die ersten Teile bestellt werden. Alle Sonderanfertigungen (die Befestigung für den Tank, die Struktur des PMS und der ACS Cluster, etc.) wurden parallel dazu in den Werkstätten von Universität und Sponsoren - teils von den Studenten selbst - hergestellt. Danach begann parallel der Zusammenbau aller Subsysteme. Eine der ersten Aufgaben war dabei das Elektronenstrahl- schweißen einzelner PMS Bauteile, welches speziell bei der Arbeit am pyrotechnischen Ventil eine große Herausforderung darstellte. Neben diesen Tätigkeiten wurden zahlreiche Tests einzelner Komponenten (Tief- temperaturtest, Schubmessung, etc.) erfolgreich durchgeführt.
Im Rahmen eines Workshops mit dem Team der Universität EPFL Lausanne wurde das Zusammenspiel des Antriebssystems mit der Steuerelektronik getestet.
Für den abschließenden Vibrationstest mit einem bedruckten Tank, gesponsert und durchgeführt von der Industrieanlagen Betriebsgesellschaft mbH (IABG), wurde die Primärstruktur des Satelliten nach Stuttgart gebracht und das Antriebssystem eingebaut. Der Einbau erfolgte in einem von den Studenten gebauten Reinraumzelt, um Verunreinigungen des Satelliten auszuschließen. Dank der Hilfe des System Engineering Teams konnte die Integration in nur drei Tagen abgeschlossen werden, wobei nach jedem Schritt zahlreiche Funktionstests durchgeführt wurden. Nach dem Vibrationstest konnten dann die letzten fehlenden Kabel und Stecker entsprechend der Vorgaben eingebaut werden. Schließlich wurde der Satellit mit vorintegriertem Antriebssystem zur Endintegration der restlichen Systeme zur ESA verschifft.Betrieb des Antriebs
Das Antriebssystem und die Steuerelektronik werden durch den Mission Control Computer in Aalborg (Dänemark) gesteuert. Dazu wird sich während der Betriebsphase des Satelliten (nominell ca. 2 Monate) zeitweise ein Mitglied des Propulsion Teams in Aalborg befinden, um die Telemetriedaten auszuwerten und Kommandos an die Steuerelektronik vorzubereiten.
Etwa eine Woche nach dem Start wird das Antriebssystem als erste der Nutzlasten aktiviert und in einem ausführlichen Testprogramm im Orbit auf seine Funktionalität und Leistungsfähigkeit überprüft. Im Anschluss wird es testweise die Lageregelung des Satelliten übernehmen, um zusätzliche Aufnahmen mit der Kamera zu ermöglichen.