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Aus flexiblen Modulen sollen große Weltraumteleskope entstehen
Große Teleskope und Antennen könnten künftig aus einzeln gestarteten Bauteilen im Orbit zusammengesetzt werden. Eine neue Studie zeigt nun, wie dreieckige Module ihre Größe während der Annäherung an eine Zielstruktur automatisch korrigieren können. Im Bodentest verringerte die Formregelung die geometrischen Abweichungen um mehr als 98 Prozent und ermöglichte ein erfolgreiches Andocken.
Peking (China). Schon die Nutzlastverkleidung einer Trägerrakete setzt der Größe von Satelliten und Weltraumteleskopen enge Grenzen. Ein möglicher Ausweg sind Bauteile, die stark zusammengefaltet starten und sich erst im All zu großen Antennenfeldern, Observatorien oder Solarkraftwerken verbinden. Dafür müssen die Kontaktstellen der einzelnen Elemente beim Andocken aber präzise aufeinandertreffen.
Gerade flexible, aufrollbare Träger entfalten sich nicht immer in exakt der vorgesehenen Form. Kleine Fertigungstoleranzen und elastische Verformungen können genügen, um die Verbindung zweier Bauelemente zu verhindern. Deshalb reicht es nicht, die Module nur in die richtige Position zu bewegen. Sie müssen auch ihre eigene Geometrie nachträglich anpassen können.
Forscher der Nanjing University of Aeronautics and Astronautics (NUAA) um Prof. Haiyan Hu haben nun eine kombinierte Form- und Bewegungsregelung entwickelt und an einem Modellversuch erprobt. Der Prototyp ist dreieckig aufgebaut und besitzt an jeder Ecke einen sechseckigen Knoten. Die Knoten sind durch drei dünnwandige, aufrollbare Kohlefaserstreben miteinander verbunden.
Elektromotoren spulen die Streben auf und ab, sodass sich jede der drei Seitenlängen gezielt verändern lässt. Zusätzlich tragen die Knoten jeweils zwei Düsen, deren Luftstöße das ganze Modul verschieben und drehen können. Magnete dienen als Andockhilfe. Elektromagnete sind für die anschließende Verriegelung vorgesehen.
Für die Regelung haben die Forscher ein mathematisches Modell entwickelt, das die Bewegungen der starren Eckknoten und die Verformung der unterschiedlich weit ausgerollten Streben gleichzeitig berücksichtigt. Ein Regelalgorithmus vergleicht die tatsächliche Dreiecksform mit der Sollgeometrie und steuert die Motoren entsprechend. Die Steuerung der Düsen korrigiert anschließend Position und Drehung des Moduls.
Zunächst untersuchte das Team drei Varianten am Computer. In allen Simulationen sank die Abweichung der Dreiecksform auf weniger als 0,013 Millimeter. Ob eine solche Präzision auch mit einem realen Prototyp erreichbar ist, prüften die Forscher anschließend auf einem Bodenteststand.
Dort glitt das Modell auf Luftlagern über eine glatte Granitplatte, um nahezu reibungsfreie Bewegungen in zwei Dimensionen zu ermöglichen. Sieben Kameras registrierten Markierungen an den Eckknoten und übermittelten ihre Positionen laufend an die Steuerung. Die Motoren passten die Strebenlängen während der Bewegung anhand dieser Messwerte an.
In drei Versuchen verringerten sich die geometrischen Abweichungen von 87,1 auf 1,16 Millimeter, von 64,30 auf 0,80 Millimeter und von 132,36 auf 0,71 Millimeter. Das entspricht einer Verbesserung um 98,67 bis 99,46 Prozent. Die Restfehler waren größer als in den Simulationen, unter anderem wegen Messschwankungen, Reibungsstörungen und Verzögerungen im Regelkreis.
In einem weiteren Experiment sollte das Modul an eine fest montierte V-förmige Zielstruktur andocken. Zuerst passte es über 25 Sekunden seine Seitenlängen an die Zielgeometrie an. Danach steuerten die Düsen die Annäherung und Ausrichtung. Nach insgesamt rund 35 Sekunden verband sich das Modul mithilfe der Magnete mit der Zielstruktur.