title: Low resistive torque supply harness and piping routing for high power plasma thruster pointing mechanisms
Creators: name: Polonia, Ingo
Publisher: name: TU Wien
Year: 2016
Subjects: subject: elektrischer Kabelbaum
subject: Drehmomentenmessung
subject: mechanische Reibungshysterese
subject: Ermüdungsberechnung
subject: electric cable harness
subject: torque measurements
subject: mechanic friction hysteresis
subject: fatigue calculation

description: Im Zuge dieser Diplomarbeit wurden verschiedene Möglichkeiten für die Verlegung der elektrischen Versorgungskabel für Plasmatriebwerke von Raumfahrzeugen untersucht, wobei spezielles Augenmerk auf die Festigkeitsberechnung und Minimierung des resistiven Störmoments durch die Steifigkeit der Kabel gelegt wurde. Der Kabelbaum wird hierbei um mehrere Rotationsachsen gespult und muss in der Lage sein, die Drehungen des Verstellmechanismus, welcher das Triebwerk relativ zur Raumsonde bewegt, mechanisch zu kompensieren. Nach einer theoretischen Diskussion der geometrischen und mechanischen Designparameter des Kabelbaums wurden verschiedene Versionen im Labor aufgebaut und Messungen des resistiven Moments sowie des Reibungsmoments vorgenommen. In den abschließenden Berechnungen wurde die Eignung des im Mechanismus verwendeten Rotationsaktuators bezüglich des vorherrschenden Störmoments verifiziert sowie eine Ermüdungsberechnung der Stromkabel, bestehend aus Kupferlitzen mit Polyimid-Isolierung, durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die schraubenförmige Wicklung des Kabelbaums sowie die Anordnung in mehreren Kabelschichten nicht nur eine enorme Verringerung des Platzbedarfs, sondern auch eine Erhöhung der Lebensdauer bewirkte. Da die Spannungsamplitude durch die Bewegung des Mechanismus klein gegen die Mittelspannung ist, sind die Kabelkomponenten dauerfest und können daher eine unbegrenzte Zahl an Lastzyklen ertragen. Des Weiteren erwies sich der im Labor aufgebaute Prüfstand als ein verlässliches und konservatives Modell im Bezug auf die Messungen des resistiven Störmoments sowie des Reibungsmoments des Kabelbaums.
description: This diploma thesis investigates different possibilities for the routing of the electric supply harness for plasma thrusters used in spacecrafts, with special attention to strength calculation and minimization of the resistive torque induced by the stiffness of the electric cables. Hereby, the electric cables are winded around several rotation axes and need to compensate the deployment carried out by the so-called pointing mechanism, which moves the thruster relatively to the spacecraft. After the geometric and mechanical parameters of the harness design were evaluated theoretically, different design versions were built in the laboratory and measurements of resistive and friction torque were performed. In the final calculations, the suitability of the chosen geared actuator regarding the prevailing resistive torque was verified and the fatigue lifetime of the cables (consisting of copper strands with a polyimide insulation) was assessed. It could be shown that the helical routing of the harness and the arrangement in multiple cable layers not only decreased the space requirement, but also had a positive effect on the fatigue life. Due to the stress amplitude during operation of the mechanism being small compared to the overall stress level, the material reaches the fail-safe region and is therefore able to resist an infinite number of cycles to failure. Furthermore, the test setup built in the laboratory turned out to be a reliable and conservative model regarding the measurements of resistive torque as well as friction torque of the cable harness.