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Sensorik Drucksensoren sorgen für sichere Reise zum Mond

| Redakteur: Jan Vollmuth

Fünfzig Jahre nach Apollo 11 soll das Raumfahrzeug Orion wieder Menschen zum Mond transportieren. Welche Rolle Drucksensoren dabei spielen, lesen Sie hier.

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Im Jahr 2023 soll das Raumfahrzeug Orion (Multi-Purpose Crew Vehicle) nach ausgiebigen Tests wieder Menschen zum Mond befördern. Im Bild eine Simulation des Raumfahrzeugs.
Im Jahr 2023 soll das Raumfahrzeug Orion (Multi-Purpose Crew Vehicle) nach ausgiebigen Tests wieder Menschen zum Mond befördern. Im Bild eine Simulation des Raumfahrzeugs.
(Bild: NASA)

Der Countdown läuft: Schon im Jahr 2023 soll das Raumfahrzeug Orion (Multi-Purpose Crew Vehicle, MPCV) nach ausgiebigen Tests wieder Menschen zum Mond befördern. Spätere bemannte Flüge mit dem MPCV könnten beispielsweise erstmals zum Mars führen. Die ESA steuert das Service-Modul ESM bei, das nach dem Zusammenbau von Orion bei der NASA direkt unter der Crew-Kapsel sitzen wird. In ihm befinden sich der Antrieb, aber auch die Energieerzeugung und -steuerung, die Klimaanlage sowie lebenswichtige Versorgungstechnik für Wasser, Sauerstoff und Stickstoff.

Erstmals missionskritische Technik aus dem Ausland

Dies ist das erste Mal, dass die NASA bei einem missionskritischen Teil auf Technik aus dem Ausland vertraut. Entscheidend war der Erfolg des Versorgungsfahrzeugs ATV (Automated Transfer Vehicle) der ESA, das selbstständig an die ISS andocken kann. Die Mitarbeit der ESA bedeutet auch, dass europäische Astronauten die Chance bekommen werden, beim einem der nächsten Mondflüge dabei zu sein. Airbus Defence and Space, die von der ESA den Auftrag zur Entwicklung und zum Bau des Service-Moduls ESM erhalten haben, konnte im November 2018 bereits das erste ESM in die USA liefern. Zuvor wurden Funktionsweise und Stabilität des Service-Moduls in Bremen intensiv getestet.

Das von der ESA und Airbus gebaute ESM kommt im Kennedy Space Center an.
Das von der ESA und Airbus gebaute ESM kommt im Kennedy Space Center an.
(Bild: NASA)

Als Hauptantrieb kommt ein Space-Shuttle-Triebwerk zum Einsatz, kombiniert mit acht mittelgroßen Aerojet Rocketdyne Triebwerken und 24 kleinen Triebwerken, die von Airbus selbst entwickelt wurden. Für die Versuche verwendet Airbus ein Antriebsqualifikationsmodell (Propulsion Qualification Model, PQM), das mit nur zwölf statt 24 kleinen Triebwerken auskommt.

Im Fall des Service-Moduls ESM muss das Antriebssystem besonders gründlich getestet werden, da sich die überlebenswichtige Technik im ESM in unmittelbarer Nähe befindet: Eine Fehlfunktion im All wäre fatal. Das Testmodul PQM selbst ist nicht für Weltraumflüge vorgesehen, vielmehr handelt es sich um ein reines Versuchsmodell, das in verschiedenen Umgebungen genauen Aufschluss über die Funktionalität der komplexen Technik liefern soll.

Buchtipp

Das Buch Industriesensorik beschreibt die Entwicklung und die praktische Anwendung der wichtigsten Sensoren. Durch anwendungsbezogene Fehleranalysen von Messsystemen, Sensoren und Sensorsystemen, jeweils ergänzt durch viele detaillierte, vollständig durchgerechnete Anwendungsbeispiele, eignet sich das Buch nicht nur für Studenten, sondern auch für Ingenieure und Techniker verschiedener Fachrichtungen.

Extrem schnell auftretende Druckstöße erkennen

Insbesondere die Druckstöße an den Treibstoffventilen stellen eine Gefahrenquelle dar und sind deshalb vorab genauestens zu untersuchen. Die Ursache der Druckstöße ist der sogenannte Wasserhammereffekt, auch bekannt unter dem Namen Joukowski-Stoß. Es handelt sich dabei um extrem schnell auftretende Druckstöße von zirka einer Millisekunde im flüssigen Treibstoff, die bei jeder Öffnung oder Schließung eines Ventils entstehen. Je schneller sich die Ventile öffnen oder schließen, desto stärker ist der Druckstoß. Diese Druckveränderungen dürfen einen bestimmten Grenzwert nicht überschreiten, denn zu starke Druckstöße können die Leitungen oder relevante Komponenten beschädigen. Im schlimmsten Fall kann es zu einer Explosion kommen, da sich bei einer schnellen Komprimierung der Raketentreibstoff Hydrazin entzünden kann.

Die NASA baut weitere Komponenten, wie etwa das Haupttriebwerk, in das Testmodul PQM ein und führt Acceptance- und Heißfeuertests durch, bei denen Sensoren von Kistler essentielle Informationen liefern.
Die NASA baut weitere Komponenten, wie etwa das Haupttriebwerk, in das Testmodul PQM ein und führt Acceptance- und Heißfeuertests durch, bei denen Sensoren von Kistler essentielle Informationen liefern.
(Bild: Kistler)

Um dies zu verhindern und das Ventilsystem exakt einstellen zu können, verwendet Airbus in seinen Versuchen piezoelektrische Drucksensoren von Kistler. Insgesamt sind 40 Sensoren des Typs 601C BA 00070.0 im Antriebsqualifikationsmodell verbaut. Dieser Sensor liefert im Temperaturbereich zwischen –196 °C und 350 °C zuverlässige und genaueste Informationen. Dabei deckt er einen Messbereich von 0 bis 70 bar ab. Dank IEPE-Technologie (Integrated Electronics Piezo Electric) kommt dieses Modell ohne einen zusätzlichen Ladungsverstärker aus. Für den Messaufbau bedeutet das, dass die Übertragung der Daten als Voltsignal gemeinsam mit dem Versorgungsstrom über ein reguläres Koaxialkabel erfolgt.

Für den Einsatz im Raketenantrieb geeignet

Der Sensor ist durch seine geringe Größe – der Durchmesser beträgt lediglich 5,5 Millimeter – besonders für den Einsatz im Raketenantrieb geeignet: Die Sensoren befinden sich innerhalb der Antriebstechnik vor und hinter den Ventilen, um die schnelle Veränderung des Drucks zu überwachen. Mit den Messungen validieren die Ingenieure ihre Berechnungen und stellen sicher, dass die Grenzwerte in keinem Fall überschritten werden. Bei Bedarf können sie Anpassungen vornehmen.

Airbus lieferte das PQM mitsamt der Sensorik in die USA, um auf dem NASA-Testgelände in White Sands, NM weitere Tests durchzuführen. Währenddessen arbeiten die Ingenieure und Techniker in Bremen bereits an einem zweiten ESM, denn das Service-Modul selbst ist im All nur ein einziges Mal verwendbar.

Für weitere Tests der kleinen Triebwerke hat Airbus bereits zehn zusätzliche Drucksensoren bestellt. Auch in Zukunft will das Unternehmen auf die Sensorik und das Know-how von Kistler setzen. „Speziell in der bemannten Raumfahrt muss man sich nach Vorabversuchen zu hundert Prozent sicher sein, dass auch im Realflug alles nach Plan läuft. Da ist es wichtig, einen Partner zur Seite zu haben, der auf dem Gebiet der Sensorik und der Messdatenverarbeitung ein absoluter Experte ist“, betont Florian Hasenknopf, PQM Test Engineer bei Airbus.

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