Luftfeder Luftfedersystem ermöglicht exakte Teleskopausrichtung

Um einwandfreie Bilder von infrarot strahlenden Himmelskörpern zu erhalten, ruht das im Flugzeug eingebaute Teleskop auf einem Vibrations-Isolationssystem. 24 Luftfedern und 3 silikonölbefüllte Dämpfer treten an, störende Schwingungen zu absorbieren.

Anbieter zum Thema

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

ACE Stoßdämpfer GmbH

a.b.jödden gmbh

Contitech Luftfedersysteme GmbH

ContiTech AG

Da die Beobachtung infrarot strahlender Himmelskörper von der Erde aus durch den Wasserdampf in der Erdatmosphäre vernebelt wird, sind diese Objekte erst in der Stratosphäre nahezu ungestört erfassbar. SOFIA öffnet den Blick für diese, den erdgebundenen Observatorien verschlossen, Bereiche des Infrarot-Spektrums.

Herzstück von SOFIA ist ein 17 Tonnen schweres Teleskop, das im Flugzeugheck durch eine Luke nach draußen blickt. Es ist das weltweit größte Infrarot-Teleskop mit extrem hoher räumlicher Auflösung. Sein Primär-Spiegel hat einen Durchmesser von 2,7 Metern. Damit wird SOFIA um ein Vielfaches höher aufgelöste Messergebnisse liefern, als es das bis 1995 betriebene „Kuiper Airborne Observatory“, eine umgebaute Lockheed Transporter L200, vermochte.

Die Luftfedertechnik, überwiegend in Nutz- und Schienenfahrzeugen sowie in Maschinen und Anlagen eingesetzt, spielt an Bord nicht nur eine tragende, sondern eine Schlüsselrolle. Das Teleskop ruht auf einem Vibrations-Isolationssystem (VIS), das aus einem Luftfedersystem und silikonölbefüllten Dämpfern besteht. Mehrfach garantiert das Luftfedersystem die Funktionalität des Teleskops: Es absorbiert störende Vibrationen, die vom Flugzeug selbst ausgehen beziehungsweise bei geöffneter Luke durch die Windströmung verursacht werden. Mit Hilfe seiner Regelelektronik und -sensorik hält das Luftfedersystem das Teleskop exakt in seiner Position, bezogen auf den Flugzeugrumpf. Dadurch bleibt das hochempfindliche Instrument jederzeit perfekt auf das Beobachtungsziel ausgerichtet und liefert einwandfreie Bilder.

Das Luftfedersystem arbeitet präzise bei extremen Bedingungen. In der vom Laborraum separierten Teleskop-Kammer herrschen bei geöffneter Beobachtungsluke minus 60 Grad und ein Fünftel des normalen Luftdrucks. Der Luftdruck variiert mit jeder Flughöhenänderung, doch unerschütterlich fixiert das Luftfedersystem das Teleskop in seiner ursprünglichen Stellung.

Komplexes Federn- System

Hersteller des aus 24 Ein- bzw. Zweifaltenbälgen bestehenden Systems ist ContiTech Air Spring Systems. Das gesamte Engineering von der Auslegungsberechnung bis zur Endmontage am amerikanischen NASA-Stützpunkt übernahm der ContiTech-Vertriebspartner CFM Schiller. ContiTech besitzt seit Jahrzehnten eine hohe Kompetenz für Luftfedersysteme. Schon 1955 begann Continental Luftfedern für Omnibusse und Schienenfahrzeuge zu entwickeln. Heute rüstet ContiTech Air Spring Systems zusätzlich Nutzfahrzeuge, Pkw sowie Maschinen und Anlagen mit seinen Produkten aus.

Das SOFIA-Luftfedersystem ist eine komplexe Konstruktion. 12 Luftfedern sind in axialer Richtung angeordnet, um die Druckdifferenz zwischen dem Flugzeuginneren und der Teleskopkammer auszugleichen und Vibrationen der x-Achse zu isolieren. Weitere 12 Luftfedern in radialer Ausrichtung haben die Aufgabe, das Teleskop anzuheben und es von Vibrationen der y- und der z-Achse zu isolieren. Drei Dämpfer, die sich im 120-Grad-Winkel zwischen den radial angeordneten Luftfedern befinden, sind in allen sechs Freiheitsgraden wirksam.

Die Druckluftzufuhr erfolgt über Höhenregelventile, die unabhängig voneinander einzelne Gruppen von Luftfedern ansteuern. Die axial ausgerichteten Luftfedern werden über ein redundantes Leitungssystem versorgt. Redundant heißt hier, dass jeder Luftfeder ein Ventil vorgeschaltet ist, das bei Stromausfall schließt und den Druck in den Luftfedern aufrechterhält.

Für Frequenzen oberhalb der Eigenfrequenz des Vibrations-Isolationsystems (ca. 2,5 Hz) ist der Isolierungsgrad des Luftfedersystems ausreichend. Bei langsamen Bewegungen, die durch Windströmung auftreten, wird das Teleskop durch Regulierung der Luftmenge in seiner Position gehalten.

Werkstoff für extreme Anforderungen

Das Projekt SOFIA bedeutete einen völlig neuen Anwendungsfall für die Luftfedertechnik. Auch materialtechnisch war es eine besondere Herausforderung. Die speziell kreierten Luftfederbälge sind aus einem selbstverlöschenden Elastomer gefertigt. Eckhard Bremers, Projektleiter beim Teleskop-Entwickler MT Aerospace, betont: „Ein wichtiges Auswahlkriterium war für uns das Brandverhalten der Luftfeder. ContiTech-Luftfedern sind erfolgreich getestet und erfüllen die Nichtbrennbarkeitsanforderungen der NASA. Ein zweiter maßgeblicher Aspekt für die Kooperation bestand darin, dass wir neben der Systemlieferung durch den ContiTech-Partner CFM Schiller auch mit allen Engineering-Leistungen von der Auslegungsberechnung bis zur Endmontage am amerikanischen NASA-Stützpunkt bedient wurden.“ Darüber hinaus ist das verwendete Elastomer beständig gegen UV-Einwirkung und kosmische Strahlung. Ferner schützt sein geringer Oberflächenwiderstand das Teleskop vor elektrostatischer Aufladung.

2007 absolvierte SOFIA erfolgreich die ersten Testflüge. Weitere folgen, ehe ab Ende 2008 der Forschungsbetrieb aufgenommen werden soll. Die fliegende Sternwarte wird von Kalifornien, Neuseeland und Deutschland aus rund 160 mal jährlich zu Beobachtungs-Exkursionen abheben. Insgesamt ist für SOFIA eine Betriebsdauer von rund 20 Jahren vorgesehen.

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