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Neues Andocksystem für Raumfahrzeuge
Obwohl bereits vielfach durchgeführt, bleiben Andockmanöver zwischen zwei Objekten im Weltraum stets ein heikler und potenziell riskanter Vorgang. Die Geschwindigkeiten sind extrem hoch (etwa 28.000 km/h im Falle der ISS), und Korrekturen sind schwierig. So können beispielsweise, kurz bevor zwei Objekte aufeinandertreffen, die Manövriertriebwerke nicht mehr verwendet werden, da das ausgestossene Gas Schäden verursachen kann. Um diese zu vermeiden, werden Frachttransporter daher von einem in der Internationalen Raumstation (ISS) installierten Roboterarm erfasst und manuell eingeholt. Bemannte Raumfahrzeuge hingegen docken computergesteuert direkt an.
Diese Art Andockmanöver soll in Zukunft einfacher und sicherer werden. Aus diesem Grund hat die Europäische Weltraumorganisation (ESA) ihre Industriepartner beauftragt, ein neues Andocksystem zu entwickeln, genannt IBDM (International Berthing and Docking Mechanism). Es entspricht dem International Docking System Standard (IDSS), einem von den führenden Raumfahrtbehörden weltweit vereinbarten Standard, womit das System mit der ISS und den meisten anderen Raumfahrzeugen kompatibel ist. Die ersten Einsätze mit Mechanismus sind mit dem Dream Chaser geplant, einem Raumschiff, das einer kompakten Version des Space Shuttle ähnelt und demnächst Frachtflüge zur ISS durchführen soll. Das Raumschiff wird von der Sierra Nevada Corporation entwickelt.
Andockenergie wird absorbiert
Das IBDM ist ein androgynes Kopplungssystem. Dies bedeutet, dass die Anschlusselemente auf beiden Seiten identisch sind. Sie bestehen jeweils aus einem harten Innenring (Hard Capture System) und einem weichen Aussenring (Soft Capture System) mit sechs Freiheitsgraden und Kraftsensoren. Der Aussenring nimmt zunächst die Andockenergie auf. Danach erfolgt die endgültige luftdichte Kopplung, gesichert durch mechanische Haken, die die beiden Raumschiffe fest zusammenziehen.
SENER ist für die Entwicklung und Umsetzung des Hard Capture Systems verantwortlich. Derzeit arbeitet das Unternehmen an dem Qualifizierungsmodell, das im Jahr 2020 getestet werden soll. «Danach muss der IBDM so schnell wie möglich auf einem Versorgungsflug zur ISS eingesetzt werden», sagt Gabriel Ybarra von SENER. Einer der nächsten Schritte wäre der Einsatz in der Mondstation der NASA, die in eine Umlaufbahn um den Mond gebracht werden soll und in Zukunft als Ausgangspunkt für bemannte Missionen zum Mars dienen könnte.
Duale Systeme für maximale Sicherheit
Für die Ingenieure von SENER ist es ein anspruchsvolles Projekt: «Wir mussten zunächst alle Anforderungen der ESA und der NASA vollständig verstehen, um dann zu klären, wie wir diese Anforderungen erfüllen können. Das vor allem im Hinblick auf die Sicherheit, da der Andockmechanismus auch für bemannte Flüge eingesetzt werden kann.» Die verwendeten elektrischen Antriebe müssen daher nicht nur leicht sein und das erforderliche Drehmoment liefern, sondern auch extrem zuverlässig sein. Aus diesem Grund arbeitet SENER bereits seit mehreren Jahren mit dem Antriebsspezialisten maxon zusammen.
Die maxon-Ingenieure haben für SENER zwei Antriebe entwickelt, die für verschiedenste Funktionen eingesetzt werden können. Der erste Antrieb besteht aus zwei bürstenlosen EC-4pole-Motoren und einem GPX UP-Getriebe. Zwölf dieser Aktoren treiben die Verriegelungshaken des IBDM-Andockmechanismus an. Der zweite Antrieb verbindet einen Flachmotor mit einem Planetengetriebe. Er kommt an elf Punkten zum Einsatz, um die Steckverbindungen und die Halteösen sowie weitere Nebenfunktionen zu steuern.
Da der IBDM-Andockmechanismus eine flugkritische Anwendung ist, sind redundante Antriebssysteme erforderlich. Das Backup-System muss auch bei Ausfall des primären Antriebs funktionieren, was oft mit Hilfe eines Backup-Motors gelöst wird, der im Notfall einspringt. Dies ist der Ansatz, der für den Aktor des Verriegelungshakens verwendet wird. Für das weitere Antriebssystem fanden die maxon-Ingenieure jedoch eine andere, unkonventionelle Lösung: Statt eines zweiten Motors wird ein zusätzlicher Stator verwendet. Der Flachmotor verfügt daher über zwei Statoren und damit über zwei Wicklungen, die den Rotor jeweils unabhängig voneinander antreiben können – eine geniale Lösung, die Sicherheit gewährleistet und gleichzeitig Platz spart.
Gabriel Ybarra lobt die Zusammenarbeit mit maxon: «Das Team versteht unsere Anforderungen und führt Konstruktionsänderungen sehr schnell durch.» Darüber hinaus verbindet beide Partner eine Leidenschaft für mechatronische Systeme. «Es ist grossartig, am gesamten Prozess beteiligt zu sein – von der Entwicklung über die Produktion bis zur Testphase. Das macht die Sache äusserst interessant. Und wenn sich das System zum ersten Mal bewegt, ist es, als würde man seinen Kindern bei ihren ersten Schritten zusehen.»
© maxon motor ag