Unendliche Weiten: Die Raumfahrt entwickelt sich weiter und setzt dabei auf Lösungen von Kistler

Winterthur, August 2020 – Ambitionierte Taikonauten, das Rennen zum Mars, kommerzielle Betreiber und Weltraumtouristen: Die Lage im All ist unübersichtlich geworden. Doch eine Konstante gibt es: Seit über 60 Jahren unterstützt Kistler Raumfahrtprogramme weltweit mit leistungsfähiger Messtechnik, Beratung und weltweitem Service – ein aktueller Überblick.

Während das 20. Jahrhundert auch im Weltall vom Dualismus der beiden Großmächte USA und Sowjetunion geprägt war, sieht es im einundzwanzigsten ganz anders aus: Viele neue Akteure haben sich formiert, um die Erforschung des Alls weiter voranzutreiben und teilzuhaben an der Mischung aus Prestige und technologischen Herausforderungen, wie sie wohl nur die Raumfahrt zu bieten hat. Kistler ist seit mehr als 60 Jahren Partner vieler Länder und Unternehmen weltweit und ist stolz darauf, sie mit präziser und verlässlicher Messtechnik in verschiedenen Anwendungsbereichen zu unterstützen.

Erfolgreiche Projekte wie die Internationale Raumstation (ISS) – ununterbrochen bewohnt seit fast 20 Jahren – zeigen, dass Wissenschaft und Technologie Brücken bauen können auch über politische Gräben hinweg. Betrieben von vier Nationen und der ESA (European Space Agency), waren bereits Raumfahrer aus 16 Nationen zu Gast auf der ISS. Ein wenig im Schatten dieses Projekts haben weitere Staaten den Sprung ins All gemeistert, allen voran China, das in vergleichsweise kurzer Zeit bemerkenswerte Erfolge erzielt hat und bereits eine eigene Raumstation betreibt – unter anderem bedingt durch das ISS-Veto der USA. Auch Indien, Südkorea, Iran, Neuseeland sowie einige Staaten auf der Arabischen Halbinsel (Saudi-Arabien, Katar, Vereinigte Arabische Emirate) gehören zu den neuen Akteuren.

Die Ära der privaten Raumfahrt beginnt vielversprechend

Ein ganz neuer Trend im 21. Jahrhundert ist die Kommerzialisierung der Raumfahrt: Am 30. Mai 2020 startete eine Falcon-9-Rakete des Unternehmens SpaceX erfolgreich und brachte das Raumfahrzeug „Crew Dragon“ der NASA (auch entwickelt durch SpaceX) zur ISS – ein Prestigeerfolg vor allem für Elon Musk, der dafür sorgte, dass erstmals seit dem Ende der Space-Shuttle-Ära vor knapp 10 Jahren wieder bemannte Missionen von amerikanischem Boden möglich sind. Weitere kommerzielle Unternehmen haben sich weltweit in Stellung gebracht, um neue technologische Ansätze zu verfolgen oder den Weltraumtourismus zu fördern.

Außerdem ist 2020 das Jahr des Mars: Gleich drei Missionen starten zum „Roten Planeten“, der wegen seiner relativen Erdähnlichkeit eines der interessantesten Objekte im Sonnensystem darstellt – auf dem schnellsten Weg erreichbar jedoch nur alle 26 Monate mittels des sogenannten „Hohmann-Transfers“. Während die NASA bereits die fünfte Mars-Mission mit einem Rover anvisiert und neue Landemanöver testet, wird China erstmals mit einem Rover zum Mars starten. Am überraschendsten ist sicherlich das Engagement der Vereinigten Arabischen Emirate, deren Raumfahrbehörde vor gerade mal sechs Jahren gegründet wurde. Die Mission mit dem Namen „Al-Amal“ (Hoffnung) soll zunächst eine Raumsonde in die Umlaufbahn des Mars bringen.

Präzise Messtechnik für reproduzierbare Ergebnisse

Auf welche Weise unterstützt Kistler all diese Bestrebungen? Werfen wir einen Blick auf die verfügbaren messtechnischen Lösungen der Kistler Gruppe und wie sie Raumfahrtprogramme konkret unterstützen können. Diese umfassen die Bereiche:

• Raketentriebwerkstests
• Umgebungssimulation und Nutzlasttests
• Belastungs- und Lebensdauerprüfungen
• Weitere spezielle Anwendungen (Mikrovibrationen, Vakuumkammer-Tests)

Um überhaupt den Weltraum erreichen zu können, das heißt eine Höhe von mindestens 100 km über der Erdoberfläche, sind leistungsstarke Raketen nötig. Zur Bestimmung von Triebwerkleistung und Schubkraft werden Kraftsensoren und Dynamometer von Kistler eingesetzt. Darüber hinaus ermöglichen hochtemperaturstabile Druck- und Beschleunigungssensoren die Detektion von Verbrennungsinstabilitäten im Testbetrieb. Sie beruhen auf eigens gezüchteten piezoelektrischen Quarzelementen, die Temperaturen bis 700°C, kurzzeitig sogar bis 1000°C, standhalten.

Außerdem stehen piezoresistive Lösungen zur statischen Drucküberwachung bereit, beispielsweise zur Überwachung des Füllstands oder zur Druckmessung in Zuleitungen zum Triebwerk. Alle beschriebenen Lösungen sind für einen verlässlichen, reproduzierbaren Betrieb unabdingbar. 

Sobald man eine zuverlässige Trägerrakete zum Verlassen des Schwerefelds der Erde zur Verfügung hat, ist die Frage: Wie kann ich eine Nutzlast sicher in den Orbit oder noch weiter in den Weltraum transportieren? Um etwa einen Satelliten in die Umlaufbahn bringen zu können, sind umfangreiche Umgebungs- und Belastungstests nötig, denn beim Start und während des Fluges wird die Nutzlast teils sehr großem mechanischen Stress und weiteren Belastungen ausgesetzt. Auch hier bietet Kistler, zum Beispiel mit robusten Beschleunigungssensoren für Vibrationsmessungen, geeignete Instrumente. Alle Komponenten, die mit ins All fliegen sollen, müssen zudem leicht, robust und kompakt sein – jedes zusätzliche Kilogramm Gewicht schlägt mit Kosten im vierstelligen Bereich zu Buche. Entscheidend ist hier außerdem, dass die gesamte Messkette eine geringe Ausgasung aufweist, denn die Ablagerungen können Geräte und Anwendungen stark beeinträchtigen. 

Innovative Lösungen für spezielle Anwendungen

Bei Untersuchungen der Nutzlast auf dem Prüfstand wie dem FLVT (Force Limited Vibration Test) haben sich Kraftsensoren und -messzellen bewährt, die eine Beschädigung durch resonanzbedingte, zu starke Vibrationen (sogenanntes „Overtesting“) verhindern. Mit geeigneten piezoelektrischen Kraftaufnehmern von Kistler, die in einer speziellen Ringkonstruktion angeordnet werden, lässt sich sogar ein geschlossener Regelkreis zur Anpassung der Beschleunigung für den Shaker in der Umgebungssimulation einrichten .

Nicht zuletzt entwickelt Kistler Hochleistungsdynamometer wie das 9236A, das dank neuer Keramikdeckplatte höchste Eigenfrequenz kombiniert mit hoher Empfindlichkeit und Messgenauigkeit. Die Vermeidung von Mikrovibrationen und Jitter, zum Beispiel für satellitenbasiertes Kameraequipment, führt zu einer deutlichen Verbesserung der Qualität hochauflösender Bilder.

Eine Vielzahl weiterer Lösungen, unter anderem für kryogene Tests, ist verfügbar, um Ingenieure bei der Entwicklung weltraumtauglicher Technologie zu unterstützen. Hinzu kommen die jahrzehntelange Erfahrung und die globale Präsenz von Kistler: Kunden erhalten wertvolle Unterstützung für ihr Raumfahrtprogramm, unabhängig davon, wo auf der Welt sie operieren – nicht nur in Form von erstklassigen messtechnischen Produkten und Lösungen, sondern auch als Entwicklungspartnerschaft, technologische Beratung und lokalen Service.