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Verifikationstest für einen mikromechanischen Shutter im Rahmen ...

Verifikationstest für einen mikromechanischen Shutter im Rahmen ...

1. Einleitung Für diese

1. Einleitung Für diese Mission wird eine Raumsonde entwickelt, die in drei Hauptmodule unterteilt ist: Das Mercury Transfer Module (MTM) beschleunigt die Sonde mittels solarelektrischen Antriebs. Durch Ausnutzung mehrerer intelligenter Swing-By-Manöver an Erde, Venus und Merkur zusätzlich beschleunigt, erreicht die Sonde schließlich sie Zielposition wo das MTM abgetrennt wird Mittels Flüssigkeitsraketen werden die anderen Module in die Zielumlaufbahn des Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO) gebracht. Die von der japanischen Organisation JAXA gelieferte Sonde hat dort den Auftrag, u.a. die Interaktion von Magnetosphäre und Sonnenwind zu erforschen. Nach dem Abtrennen des Mercury Planetary Orbiter (MPO) wird dieser in einen weiter innenliegenden Orbit befördert, von wo aus eine genaue Kartierung der Oberfläche, eine Charakterisierung ihrer Zusammensetzung und Rückschlüsse auf den Planetenaufbau möglich sind. MTM und MPO werden von der europäischen ESA geliefert. Aufgrund der großen Nähe zur Sonne herrschen im Merkurorbit besonders raue Umgebungsbedingungen, die große technologische Herausforderungen an die Mission darstellen. Extreme Temperaturen, das starke Gravitationsfeld der Sonne sowie deren riesige Strahlungsleistung sind mitunter Gründe, warum die ESA vor dieser Mission noch keinen Ausflug in die „heißen“ Regionen des Sonnensystems unternommen hat. Merkur hat als sonnennächster Planet eine Oberflächentemperatur von bis zu 470°C. Da er über keine Atmosphäre verfügt, kann die von der Oberfläche emittierte und reflektierte langwellige Strahlung im infraroten Spektralbereich ungehindert von Messgeräten in der Umlaufbahn detektiert werden. Hierzu wird bei der Bepi Colombo Mission speziell für diesen Zweck ein Messinstrument im MPO vorgesehen: MERTIS. Die Abkürzung MERTIS steht für Mercury Radiometer and Thermal Infrared Spectrometer und stellt ein optisches Messinstrument dar, das der mineralogischen und thermographischen Kartierung der Merkuroberfläche im Bereich infraroter Wellenlängen von 7-14µm dient. Aufgrund der spektralen Signaturen mineralogischen Gesteins in diesem Wellenlängenbereich kann die Oberflächenzusammensetzung identifiziert und kartiert werden, was entscheidend für das Verständnis der Entwicklung dieses Planeten und darüber hinaus des gesamten Sonnensystems ist. 2

1. Einleitung Teil dieses Instruments ist ein mikromechanischer Shutter, dargestellt in Abbildung 1-2. Dessen Funktion ist es, zu Kalibrierungszwecken einen optischen Strahlengang am Eingangsspalt des Messgeräts periodisch zu öffnen und zu schließen. Der Shutter besteht aus einer mikrogefrästen Titanstruktur mit flexiblen Abbildung 1-2: Engineering Modell des Shutters Festkörpergelenken (flexible hinges), über die ein Plättchen (shutter blade) bewegt werden kann, das zum Verschluss des Eingangsspalts dient. Die Bewegung wird über einen Voice-Coil-Actuator, bestehend aus Helmholtzspulen (coils) in Maxwellanordnung sowie einem Permanentmagnet auf elektromagnetischem Weg erzeugt. Um die Position des Plättchens zu erfassen, ist ein weiterer Dauermagnet an der Shutterwippe angebracht, durch den das mechanische Positionssignal mit Hilfe eines magnetoresistiven Sensors (GMR- Sensor) in ein elektrisches Signal gewandelt wird. Zur Demonstration und grundsätzlichen Überprüfung der Realisierbarkeit des Shutters wurde in einer vorrausgehenden Masterarbeit [2] ein Demonstratormodell entworfen. Auf diesen Erkenntnissen aufbauend wurde ein Engineering Modell entwickelt, das sämtliche angestrebte Zielfunktionen bereits in einem relativ weit fortgeschrittenem Entwicklungsstadium beinhaltet und in Abbildung 1-2 dargestellt ist. Da die Struktur aufgrund der filigranen Festkörperlager stark zu mechanischen Schwingungen neigt, muss das System elektronisch gegengekoppelt werden, um die geforderten Positionierungszeiten einzuhalten. Deshalb stellt ein weiteres zentrales Element, dessen Wirkungsweise den dynamischen Betrieb des Shutters überhaupt erst ermöglicht, das Regelungssystem dar. Dieses ist dafür verantwortlich, dass das Shutterblade innerhalb weniger Millisekunden den Eingangsspalt des Messinstruments gezielt verschließen bzw. öffnen kann. Hierzu wurde ein Regler auf analogelektronischer Basis realisiert. Um diesen auszulegen wurde das System in einer weiteren Vorgängerarbeit [3] unter regelungstechnischen Gesichtspunkten untersucht und ein digitaler Regler in einem Rapid Control Prototyping System entworfen. Dabei wurde die Tauglichkeit einer PD-T1 Reglerstruktur nachgewiesen und diese mit einem Analogregler umgesetzt. 3

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