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Stromversorgung Die Entwicklung von Raumfahrt-Sicherungen – ein spannender Weg

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Zwischen Schurter und der European Space Agency (ESA) besteht eine langjährige und intensive Zusammenarbeit in der Forschung und Entwicklung. Das Resultat ist die Entwicklung neuer Technologien und Produkte für die Absicherung von elektronischen Modulen in Raumfahrtanwendungen.

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Schurter und die European Space Agency (ESA) arbeiten in Forschung und Entwicklung intensiv zusammen; so entstehen neue Technologien und Produkte für die Absicherung von elektronischen Modulen in Raumfahrtanwendungen.
Schurter und die European Space Agency (ESA) arbeiten in Forschung und Entwicklung intensiv zusammen; so entstehen neue Technologien und Produkte für die Absicherung von elektronischen Modulen in Raumfahrtanwendungen.
(Bild: Schurter)

Am 29. Januar 2016 konnte Schurter nach einem intensiven Evaluations- und Qualifikationsprozess in Zusammenarbeit mit Vertretern der ESTEC (engl. European Space and Research and Technology Center) aus Holland die Zertifizierung der HCSF-Sicherung entgegen nehmen. 8 Jahre nach der erfolgreichen Qualifizierung der MGA-S ist Schurter noch immer das einzige Schweizer Unternehmen und damit auch der einzige europäische Lieferant von Sicherungen mit dieser Qualifikation.

Es begann mit Schmelzsicherungen für den Einsatz in der Raumfahrt

Im Jahr 2004 wurde Schurter von der European Space Agency (ESA), respektive deren Unterorganisation European Space, Research and Technology Center (ESTEC), zu einer Entwicklungszusammenarbeit zur Herstellung von Schmelzsicherungen für den Einsatz in der Raumfahrt angefragt. In einer vierjährigen Evaluationsphase wurden zuerst die Anforderungen und Lösungsansätze erarbeitet, welche in einer Fachgrundspezifikation für die Qualifikation, die Produktion und die Lieferung von Sicherungen mündete. Die nachfolgende Forschungs- und Entwicklungszusammenarbeit fand ihren Höhepunkt in der Listung der MGA-Sicherung als ESA-qualifizierte Produktfamilie mit einem Nennstrombereich von 0,14 A bis 3,5 A. Die generellen Anforderungen an eine Raumfahrtsicherung hat Schurter in einem Whitepaper dokumentiert; die detaillierte Spezifikation für die MGA-S ist in einem Datenblatt festgehalten.

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Seit 2008 produziert Schurter MGA-S-Sicherungen nach den vereinbarten Produktanforderungen. Jede einzelne Raumfahrtsicherung wird dabei einem Screening-Test unterzogen. Dabei werden sämtliche Messwerte protokolliert und in einer Batch-Dokumentation zusammen mit der Lieferung dem Kunden ausgehändigt. In zweijährlich wiederkehrenden Requalifikationsprozessen prüft die ESA anhand klar definierter Qualifikationskriterien, ob alle produktionstechnischen Maßnahmen eingehalten wurden.

Weiterentwicklung der technischen Ansätze

Parallel zur Serienfertigung der MGA-S wurde im Jahr 2010 eine zweite Phase der Zusammenarbeit zwischen Schurter und der ESA eingeläutet. Es sollte eine Lösung zur Absicherung von Nennströmen bis zu 15 A erarbeitet werden. Eine Evaluationsphase startete, bei der verschiedene Lösungsansätze verfolgt wurden, um die kritischen Designs detailliert zu prüfen. Diese zweite Phase ist Bestandteil des Zusammenarbeitsvertrags und konnte aufgrund der positiven Erfahrungen aus der ersten Phase angegangen werden.

Parallelschaltung von MGA-S

Grundsätzlich lässt sich durch die Parallelschaltung von ausgewählten MGA-S-Sicherungen, welche den selben Kaltwiderstand aufweisen, ein entsprechend höherer Nennstrom abschalten. Dazu können bereits qualifizierte Produkte eingesetzt werden. Detaillierte elektrische und thermische Analysen dieses Ansatzes wurden bei Schurter sowohl theoretisch modelliert, als auch in Versuchsaufbauten ausgemessen. Nach eingehender Testung wurde dieser Lösungsansatz für diesen Einsatz nicht weiter verfolgt. Gründe dafür sind der erhöhte Platzbedarf für die parallel geschalteten Sicherungen sowie eine negative Beeinflussung der Mean Time Between Failure (MTBF).

Erhöhung des Nennstromes

Basierend auf einer zwischen Schurter und der ESA vereinbarten Spezifikation wurde in einem weiteren Versuchsaufbau der Nennstrombereich von 5 A bis 15 A Nennstrom bei einer Spannung von 125 VDC auf ein Abschaltvermögen von 1000 A erhöht. Dazu mussten die mechanischen Abmessungen entsprechend angepasst werden, um die Energie beim Abschalten aufnehmen zu können. Bezüglich Montage erwartete die ESA eine Kompatibilität zu existierenden Lösungen von Mitbewerbern: Die Lötfahnen der neuen Lösung müssen auf dieselben Anschlussgeometrien der Leiterplatte passen, wie sie bereits für das Wettbewerbsprodukt definiert wurden.

Dies führte zu einem Lösungsansatz mittels Dünnfilmtechnik. Bei dieser Technik wird mit einem sogenannten Sputter eine Metallschicht in einer exakt festgelegten Stärke im Mikrometerbereich auf ein Trägermaterial aus Glas aufgebracht. Umschlossen wird das Leitungspaket analog zur MGA-S mit einem Keramikträger, welcher die notwendige Stabilität für die entsprechenden Betriebsfälle im Too-important-to-fail-Bereich garantiert.

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