Qualitätssicherung in der Satellitenentwicklung bei 10 hoch -5 Millibar Druck

Wie OHB Satelliten auf Weltraumtauglichkeit testet

OHB Redaktionsteam
Veröffentlicht am
von OHB Redaktionsteam, OHB SE

Bevor Satelliten mit einer Trägerrakete ins All starten, werden Sie ausgiebig getestet. Dafür werden sie in ein Vakuum gebracht, erhitzt und gekühlt. Im Gespräch erläutert Dr. Dieter Birreck, Direktor der Heinrich Hertz Satellite Mission, wie OHB die Satelliten-Tests durchführt.

Herr Dr. Birreck, warum testet OHB Satelliten in einer Thermal-Vakuum-Kammer?

Es geht darum, Satelliten einer Umgebung auszusetzen, die sie während ihrer Lebenszeit im Weltraum erwartet. Weil auf der Erde anders als im All kein Vakuum herrscht, erzeugen wir es künstlich in einer Vakuum-Kammer und testen dort. Wir wollen nachweisen, dass es keine Probleme gibt, wenn der Satellit später im Weltraum fliegt.

Wo gibt es diese Kammern?

Einzelne Bauteile kommen zunächst separat ins Thermal-Vakuum. Hierfür gibt es an vielen Orten Kammern. Auch bei OHB in Bremen haben wir eine kleine TVAC-Kammer. Aber der spannende Moment ist, wenn der ganze Satellit zusammengebaut ist und getestet wird. Dafür gibt es in Europa einige sehr große Thermal-Vakuum-Kammern, in die auch komplette Satelliten passen, beispielsweise bei der IABG in Ottobrunn bei München. Kleinere Satelliten testen wir auch hier bei OHB direkt.

Wie sieht der Testaufbau aus?

Die Thermal-Vakuum-Kammer besteht aus einer riesigen Kammer, einer Röhre, in die wir den Satelliten einfahren können. Zunächst wird die Luft mit Pumpen aus der Kammer gepumpt, bis ein Vakuum mit etwa 10 hoch -5 Millibar Druck herrscht.

Wir können die Kammer kühlen und heizen. Denn die der Sonne zugewandte Seite des Satelliten kann sehr heiß werden – und die der Sonne abgewandte Seite wird entsprechend kalt. Die Temperatur-Extreme liegen bei etwa –150 °C und 100 °C.

Wir kontrollieren die Testumgebung ebenso wie den eingeschalteten Satelliten und führen einen sogenannten Thermal-Balance-Test durch: Der Satellit wird auf eine konstante Temperatur gebracht und wir testen, ob er in Betrieb alle Temperaturen erreicht, die in den Modellrechnungen vorhergesagt sind. Die Modelle weisen theoretisch nach, dass der Satellit an keiner Stelle zu heiß oder kalt wird. Mit dem Thermal-Balance-Test überprüfen wir das Modell.

Was passiert dann?

Anschließend wird der Satellit Extremtemperaturen ausgesetzt – ganz heiß oder ganz kalt. Auch die Übergänge von heiß zu kalt werden getestet. Denn wenn er zu einer bestimmten Jahreszeit immer zu heiß wird, besteht das Problem, dass der Satellit dies fortan in jedem Jahr so erleben wird.

Wenn der Satellit es im ersten Jahr ausgehalten hat, dann sieht er im zweiten Jahr keine anderen Temperaturen – deshalb machen wir den Test.

Wie messen Sie die Temperatur genau?

Ein Satellit hat hunderte von Sensoren, die auch im Weltraum verwendet werden, um zu sehen, ob der Satellit funktioniert. Weitere Sensoren werden speziell für den Test installiert. Das können im Einzelfall bis zu drei-, vierhundert zusätzliche Sensoren sein, je nachdem, was die Thermal-Spezialisten beobachten wollen. Die Tests erlauben, dass wir einschreiten können, wenn eine Temperatur kritisch wird und gewährleisten den hundertprozentigen Betrieb.

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Was können Sie tun, wenn es einmal ein Problem mit der Temperatur gibt?

Dann beginnen wir, den Thermalhaushalt des Satelliten anpassen, so dass im Satelliten wieder optimale Temperaturen herrschen. Wir bauen beispielsweise zusätzliche Heizer ein. Oft reicht es auch, Teile des Satelliten besser einzupacken – oder die Verpackung zu öffnen. Wir verwenden eine Multilayer Insulation: mehrlagige metallbedampfte Kunststofffolien. Mitunter decken wir auch Teile der Radiatorflächen, die die Sonnenstrahlen reflektieren, ab.

Das Hauptproblem in der Umlaufbahn sind die Temperaturen. Inwiefern wirkt Vakuum nachteilig auf die Bauteile?

Bei manchen Hohlleitern kann es beim Übergang von Luft ins Vakuum zu Problemen kommen. Viele Satelliten werden eingeschaltet ins Weltall gestartet, um das Problem zu umgehen, dass sie eventuell später nicht angeschaltet werden können. So können wir bis einige Minuten vor dem Start überprüfen, dass der Satellit funktioniert.

Beim Übergang ins Vakuum kann es dann aber grundsätzlich zu Problemen der elektrischen Felder und zu Spannungsentladungen kommen. Deshalb testen wir vorher. Wir können später zwar eine neue Software hochladen. Aber alles was nicht Software ist, kann man eben nicht mehr anfassen, wenn der Satellit die Erde einmal verlassen hat.

Wie lang dauern die Tests?

Mit unserer neuen Telekommunikationssatelliten-Produktlinie waren wir drei Monate in der Thermal-Vakuum-Kammer. Bei normalen Telekommmunikationssatelliten sind es etwa 30 Tage und mit kleineren Satelliten sind wir üblicherweise in zwei Wochen durch. Die Tests sind zwar aufwändig, aber auf dem Telekommarkt werden Satelliten immer größer, weil es so aufwändig ist, einen Satelliten ins Weltall zu bringen. Deshalb ist dort ein großer, leistungsstarker Satellit attraktiv. Die Tests stellen sicher, dass alles funktionieren wird.

Wie groß ist das Team?

Der Thermal-Vakuum-Test ist der aufwändigste Test, den wir machen. Das Team arbeitet in drei Schichten rund um die Uhr. Jedes Team besteht aus 10 bis 15 Mitarbeitern, insgesamt sind wir also bis zu 45 Personen. Darunter sind Techniker von OHB, die für die Thermalauslegung zuständig sind und die Temperatur überprüfen. Dazu kommt Personal, um den Satelliten zu betreiben. Sie aktivieren Boxen, senden Signale zum Satelliten und überprüfen alle Funktionen. Außerdem ist die Betriebsmannschaft vor Ort, die für die Anlage selbst zuständig ist und beispielsweise die Temperatur einstellt und das Vakuum kontrolliert.

Welche Schwierigkeiten können auftreten?

Schwierigkeiten treten auf, wenn die Modellierung nicht gut genug ist. Das betrifft einerseits das Verhalten des Satelliten, aber auch die spezielle Apparatur, die in die Kammer eingebracht, um den Satelliten aufzuheizen. Wenn die Modellierung der externen Einstrahlung beispielsweise nicht gut genug ist, können wir den Satelliten nicht richtig aufheizen.

Auch die Komponenten selbst können natürlich während des Tests kaputt gehen – dann müssen wir die Kammer unter Umständen wieder öffnen und das Bauteil reparieren.

Könnten Satelliten auch im Orbit repariert werden?

Nein, das geht nicht. Deshalb hat jeder Satellit redundante Systeme: Man legt Komponenten mehrfach aus, um im Fehlerfall auf eine noch funktionierende Komponente zurückgreifen zu können.

Es gibt aber Forschungsprojekte, die untersuchen, wie man Satelliten neu betanken könnte, damit sie eine längere Lebensdauer haben. Ein Satellit hat eine gewisse Menge Treibstoff, die er braucht, um in seiner Position auf seinem Orbit zu bleiben. Wenn der Treibstoff verbraucht ist, kann er seine Position nicht mehr halten. Die Treibstoffmenge gibt deshalb auch die Lebensdauer eines Satelliten vor.

Müssen Sie die Tests nachweisen?

Ja, wir müssen dem Käufer des Satelliten die Testergebnisse nachweisen. Und einige Ergebnisse möchte auch der Raketenbetreiber, der die Rakete für den Satellitentransport stellt, sehen. Die beiden Systeme müssen ja zusammen spielen. Wir starten häufig vom europäischen Raketenstartplatz in Kourou. Die Betreiber dort müssen sicher sein, dass der Satellit nicht während des Starts die Rakete gefährdet.

Gibt es da bestimmte Test-Standards?

In Europa gelten die Standards der ESA zum Satellitenbau: die ECSS-Standards. Nach diesen Standards bauen wir in Europa Satelliten. Andere Länder haben etwas andere Standards, doch sie sind alle kompatibel. Die Standards legen fest, welche Materialien beim Bau verwendet werden, um die Lebensdauer und Qualität zu gewährleisten. Außerdem definieren sie die Testverfahren. Der Thermal-Vakuum-Test ist nur einer der vorgeschriebenen Tests. Wir führen außerdem Schütteltests und Akustiktests durch. Denn ein Raketenstart ist mit großer Lärmentwicklung und Vibration verbunden, die im ungünstigen Fall Auswirkungen auf den Satelliten haben.

Unser leitender Systemingenieur fordert außerdem immer, dass wir die Satelliten aufhängen und alle Räder bewegen. So können wir per Augenschein überprüfen, dass sie sich korrekt drehen.