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Docking-System Wie Antriebssysteme Rendezvous im Weltall ermöglichen

Autor / Redakteur: Stefan Roschi / Karin Pfeiffer

Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) führt ein neues Ankopplungssystem ein, das ein einfaches Zusammentreffen zweier Flugobjekte im All sicherstellen soll. Maxon entwickelt dafür zwei spezielle Antriebssysteme.

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Blick in die Zukunft: Der Raumgleiter dockt an der ISS an.
Blick in die Zukunft: Der Raumgleiter dockt an der ISS an.
(Bild: Sener, Sierra Nevada Corp)

Auch wenn es schon viele Male gemacht wurde: Das Andockmanöver zweier Flugobjekte im Weltall ist immer eine delikate, potenziell gefährliche Sache. Die Geschwindigkeit ist enorm hoch (etwa 28.000 km/h bei der ISS), und Korrekturen sind schwierig. Ein Beispiel: Sind beide Objekte kurz vor dem Zusammentreffen, dürfen die Navigationstriebwerke nicht mehr verwendet werden, da sie Beschädigungen verursachen könnten. Aus diesem Grund werden Cargo-Transporter auch mit einem Roboterarm von der Internationalen Raumstation ISS eingefangen und manuell angedockt. Bemannte Raumschiffe dagegen verbinden sich direkt und computergesteuert.

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In Zukunft sollen solche Andockmanöver einfacher und sicherer werden. Die ESA hat deshalb das neue Docking-System IBDM (International Berthing and Docking Mechanism) bei ihren Industriepartnern in Auftrag gegeben. Dieses entspricht dem International Docking System Standard (IDSS), der von den führenden Weltraumorganisationen weltweit vereinbart worden ist. Das System wird also kompatibel mit der ISS und den meisten Flugobjekten sein.

Einen der ersten Einsätze dürfte der Mechanismus mit dem Raumgleiter haben, der wie eine kleine Version eines Space-Shuttles aussieht und künftig Cargo-Flüge zur ISS absolvieren soll. Er wird derzeit von der Sierra Nevada Corporation entwickelt.

Andockenergie des androgynes Kopplungssystem absorbieren

Beim IBDM handelt es sich um ein androgynes Kopplungssystem. Das heißt: Auf beiden Seiten kommt eine identische Verbindung zum Einsatz. Diese besteht aus einem festen inneren Ring (Hard-Capture-System) und einem flexiblen Außenring (Soft-Capture-System), der über sechs Freiheitsgrade und Kraftsensoren verfügt. Über den Außenring wird zuerst die Andock-Energie absorbiert, erst danach kommt es zur definitiven, luftdichten Verbindung, die durch mechanische Haken gesichert wird.

Das Unternehmen Sener Aerospacial ist für die Entwicklung und Montage des Hard-Capture-Systems zuständig. Inzwischen ist man am Qualifikationsmodell daran, das 2020 ausführlich getestet werden soll. „Danach soll der IBDM möglichst schnell in einem Versorgungsflug für die ISS eingesetzt werden“, sagt Gabriel Ybarra von Sener. Ein nächster Schritt wäre dann unter anderem der Einsatz in der Lunar-Space-Station der NASA, einer Weltraumstation, die ab 2025 den Mond umrundet und als Ausgangspunkt für bemannte Reisen zum Mars dienen könnte.

Zwölf Antriebe bewegen Docking-Mechanismus

Für die Ingenieure bei Sener ist es ein herausforderndes Projekt: „Wir mussten zuerst alle Anforderungen, die durch ESA und NASA gestellt wurden, komplett verstehen und herausfinden, wie wir diese erfüllen können. Speziell auch in Bezug auf Sicherheit, denn der Docking-Mechanismus meistert ja auch bemannte Flüge.“ Die eingesetzten elektrischen Antriebe müssen nicht nur leicht sein und das benötigte Drehmoment liefern, sondern auch äußerst zuverlässig arbeiten. Aus diesem Grund arbeitet Sener seit mehreren Jahren mit dem Antriebsspezialisten Maxon zusammen.

Die Maxon Ingenieure haben für Sener zwei Antriebe entwickelt, mit denen alle möglichen Funktionen ausgeführt werden können. Der erste besteht aus zwei bürstenlosen EC-4Pole Motoren und einem GPX UP Getriebe.

Zwölf dieser Antriebe bewegen die Einrasthaken im IBDM-Docking-Mechanismus. Beim zweiten Elektroantrieb handelt es sich um eine Kombination aus Flachmotor und Planetengetriebe. Er kommt elf Mal zum Einsatz und bewegt unter anderem die Steckverbindungen und die Fanglaschen.

Im Notfall muss ein zweiter Motor einspringen

Da es sich beim IBDM-Docking-Mechanismus um eine flugkritische Anwendung handelt, sind redundante Antriebssysteme notwendig. Sie müssen also auch bei Ausfall des primären Antriebs funktionieren. Oft wird das mit einem zweiten Motor gelöst, der im Notfall einspringen kann. So auch beim Elektroantrieb für die Einrasthaken.

Buchtipp

Das Buch Antriebspraxis enthält die Gesamtschau der eingesetzten Antriebe mit fester oder variabler Drehzahl, die energiesparend und vernetzt arbeiten. Es erklärt sowohl die Arbeitsweise der Komponenten als auch ihr Zusammenwirken im Antriebssystem bis hin zur Vernetzung in betrieblichen und globalen Netzen.

Dualsysteme für maximale Sicherheit

Doch für das zweite Antriebssystem haben die Maxon Ingenieure eine andere, unkonventionelle Lösung gefunden: Nicht ein zusätzlicher Motor wird verwendet, sondern eine zusätzliche Wicklung. Der eingesetzte Flachmotor besitzt also zwei Wicklungen, und jede kann unabhängig von der anderen den Rotor antreiben. Eine geschickte Lösung, die Sicherheit garantiert und gleichzeitig Platz spart.

Gabriel Ybarra zur Zusammenarbeit mit Maxon: „Es ist wunderbar, in den kompletten Zyklus involviert zu sein – von der Design- über die Produktions- bis hin zur Testphase. Das macht die Sache richtig interessant. Und wenn sich dann das System zum ersten Mal bewegt, ist das, wie wenn man dem eigenen Kind bei den ersten Schritten zuschaut.“

* Stefan Roschi, Corporate Marketing Communication, Maxon Group

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