Raumfahrt

  • 3D-MID - Prodution Steps

Charakterisierung von 3D-MID für Raumfahrtanwendungen

Kunde: European Space Agency (ESA)

3D-MID-Technologie (mit Spritzguss Thermoplasten) ermöglicht die Integration mechanischer, elektronischer, optischer und thermischer Funktionen in dreidimensionale Konstruktionen über selektive Metallisierung, bietet eine hohe geometrische Gestaltungsfreiheit und unterstützt die Miniaturisierung elektronischer Geräte. Anwendungen wie Positionssensoren, Aktoren, Schalter und Antennen können von der Herstellung komplexer Strukturen und Formen profitieren, die potenziell erhebliche Einsparungen an Raum, Masse und Gewicht bieten, die mit herkömmlichen elektronischen Fertigungsmethoden nicht erreicht werden können.

Der Begriff MID kann auch mechatronische integrierte Geräte umfassen, wobei die Tatsache berücksichtigt wird, dass die dreidimensionalen Träger nicht zwangsläufig spritzgegossene Thermoplaste sein müssen. Andere Materialien wie Keramik und Duroplaste können ebenfalls verwendet werden, was die Integration von Sensoren in komplexe Strukturen oder die Integration von Abschirmung, Kühlung und Gehäuse für optimale Miniaturisierung und Gewichtseinsparung ermöglicht. Sogar thermische Funktionen wie Wärmeableitung und Kühlung können mit wärmeleitenden Substratmaterialien und vollständig metallisierten Oberflächen realisiert werden.

Hauptvorteile der 3D-MID-Technologie

Optimale Raumnutzung durch hohe funktionelle Integrationsdichte mechanischer und elektronischer Funktionen auf einer Komponente

MID-Designs ermöglichen effizienteres AIT (Montage, Integration und Test)

  • Miniaturisierung mit erheblicher Gewichtsersparnis
  • hohe Präzision in den Ultra-feinen Leiter Bereich
  • 3D-Layout ermöglicht definierte Winkel zwischen Komponenten, Stapeln und präzise Platzierung von Komponenten
  • Reduzierung von Baugruppen durch Reduzierung herkömmlicher Verbindungsgeräte (z.B. Bandleiter direkt im Gehäuse)
  • Rationalisierung und allgemeine Systemvereinfachung durch Reduzierung von Prozessschritten, Anzahl der Teile und Montagezeit
  • Steigerung der Fertigungszuverlässigkeit durch weniger mechanische Teile und Prozesse
  • Produktion mit hoher Varianz und kurzen Umrüstzeiten
  • Layout-Änderung des Leitungsnetzes benötigt keine Werkzeuge, nur eine Änderung der CAD-Layout-Daten
  • vollständige 3-Dimensionalität mit Durchgalvanisierung ermöglicht komplexe dreidimensionale Verbindungsgeräte

Unser Beitrag

ZieleArbeitsumfang
  • Charakterisierung der Eignung von 3D-Mid-Technologien, Fertigungstechniken, Prozesse und Materialien für Raumfahrt-Telekom-Anwendungen, Ziel für diese Aktivität ist TRL5
  • Identifizierung von kritischen Themen, Empfehlungen im Hinblick auf mögliche nächste Schritte, Änderungen oder Modifikationen, die erforderlich sein könnten; gewonnene Erkenntnisse und Schlussfolgerungen
  • Vorschläge für mögliche Aktivitäten und Roadmap zur Erhöhung des Technology Readiness Levels (TRL)

Phase 1: Untersuchung, Definition und Prozessbewertung

  • Technologie-Überprüfung und Auswahl von Raumfahrtanwendungen
  • Bewertung von Fertigungsprozessen und Materialauswahl

Phase 2: Design, Fertigung und Charakterisierung

  • Entwurf, Prototyp-Definition und Testplanung
  • Herstellung und Montage von Teilen
  • Charakterisierung des hergestellten Teils
  • Ergebnisanalyse, Identifizierung kritischer Fragen und zukünftiger Entwicklungen
POLAR - In Space

«POLAR»
(im Weltraum)

Gamma-Ray-Bursts Polarisationsdetektor «POLAR»

Kunde: European Space Agency (ESA)

Obwohl 1960 entdeckt, sind Gammastrahlenblitze (GRBs- Gamma Ray Bursts) immer noch voller Geheimnisse und der Entstehungsmechanismus dieser sehr intensiven Explosionen ist weiterhin unbekannt. Um bestehende Modelle zu validieren oder auszuschließen, ist eine genaue Messung der Polarisation des GRB erforderlich.

«POLAR» ist ein hochempfindlicher Detektor der den Compton-Streuungs-Effekt nutzt, um die Polarisation der einfallenden Photonen zu messen. Mit seinem großen Sichtfeld und einer Detektionsenergie bis 500 keV wird er eingesetzt, um die Polarisation der GRB-Emissionen mit Hilfe von niedrigen Z-Material Kunststoff-Szintillatoren, Multimode-Photomultiplier und Multi-Channel-ASIC-Front-End-Elektronik zu messen. «POLAR» sollte zwei bis drei Jahre im Betrieb sein, während derer eine große Anzahl von GRBs gemessen werden soll.

POLAR - Onboard Tiangong-2

erstes offizielles Foto an Bord
Weltraumlabor „Tiangong-2“

POLAR - HVPS

Hochspannungs-Stromversorgung

POLAR - LVPS

Niederspannungs-Stromversorgung

Unser Beitrag

Der Bau des «POLAR» Detektors, dem einzigen nicht-chinesischen Experiment an Bord des chinesischen Raumlabors „Tiangong-2“, wurde von einem internationalen Kooperationsprojekt durchgeführt mit Beiträgen aus China, Frankreich, Polen und der Schweiz. Der Aufgaben- u Verantwortungsbereich von Art of Technology umfasst insbesondere:

  • Machbarkeitsstudie:
    Untersuchung des Designs der vorhandenen Frontend-Elektronik in Bezug auf Fragen im Zusammenhang mit Raumfahrtanwendungen, um mögliche Konstruktionsfehler oder Schwachstellen zu identifizieren und Empfehlungen, um die Zuverlässigkeit der Herstellung und des Gesamtsystems zu erhöhen
  • Hochspannungs-Stromversorgung (HVPS):
    System Reverse Engineering von Breadboard, System Re-Design, Entwicklung und Herstellung der Hochspannungsversorgung mit 26 einstellbaren Stromquellen auf 3 Prints mit 300 bis 500 Komponenten pro Platte (300 mm x 60 mm, 6 Lagen )
  • Niederspannungs-Stromversorgung (LVPS):
    System Machbarkeitsstudie, Design, Entwicklung und Herstellung von Niederspannungsstromversorgung (LVPS) mit 82 schaltbaren Stromquellen auf 2 Prints mit 800 – 1’300 Komponenten pro Platte (300 mm x 60 mm, 8 Lagen)
  • Bauteile Beschaffung und Produktion:
    EQM, QMs und FM (bei den vom Endbenutzer ausgewählten Herstellern)
  • NETLANDER - Deployed

NETLANDER in entfalteter Konfiguration

Seismometer-Elektronik «SEIS-EL»

Kunde: Contraves AG

Die NETLANDERTM Mission plante vier identische Lander zur Oberfläche des Mars zu schicken, um simultane Messungen der inneren Struktur des Mars, dessen Untergrund und Atmosphäre durchzuführen. Um die Missionsziele in Bezug auf innere Struktur, Untergrund, Atmosphäre und Ionosphäre des Mars zu erfüllen, wurde jeder der 4 Lander mit einer Nutzlast von neun Instrumenten ausgerüstet. Die Seismometer-Elektronik «SEIS-EL» steuert die Beine der Messkugeln, die internen seismischen Instrumente und eine Vielzahl von Sensoren.

  • NETLANDER-Sphere-with-2-Very-Broadband-Seismometers

NETLANDER-Sphäre mit
2 sehr breitbandigen SEISmometern

  • NETLANDER - SEISmometer Electronics

NETLANDER SEISmomoter
(Engineering Model)

Unser Beitrag

Mit einer Masse der Lander beschränkt auf 22 kg (davon nur 5,2 kg für wissenschaftliche Instrumente) war das Ziel, mögliche Senkungen (Masse, Volumen und Kosten) zu schätzen und eine Empfehlung für den am besten geeigneten Ansatz und die beste Technologie zu liefern. Art of Technology untersuchte in einer Systemanalyse, technologischen Auswertung und einer Machbarkeitsstudie die Haupt- und Hilfssteuerungen und die Motorantriebselektronik für die Seismometer-Elektronik, einschliesslich:

  • SEIS Hauptsteuerelektronik (SEIS-MC)
  • SEIS Erfassungs-Controller-Modul (SEIS-AC)
  • Rezension der kritischen Eigenschaften
  • Bewertung der High Density Packaging (HDP) Technologien
  • Miniarturisations-Potenzial & Komponentenverfügbarkeit prüfen
  • ASIC Technologien für die Implementierung (digitaler) Schaltkreise
  • erreichbare Masse, Volumen & Energie für die FM-Schaltungen
  • Analyse der Entwicklungs- u. Qualifizierungskosten für FM-Modelle
  • STIX - Solar Orbiter Experiments

Der Solar Orbiter bietet Platz für In-situ- und Fernerkundunginstrumente mit einer Gesamtnutzlastmasse von 180 kg

STIX Detektor-Elektronikmodul «STIX-DEM»

Kunde: European Space Agency (ESA)

Art of Technology hat zusammen mit dem Hauptauftragnehmer Almatech einen Vertrag der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) für die Konzeption, Entwicklung, Herstellung und Lieferung eines Detektor-Elektronikmoduls (DEM) erhalten. Dieses Modul wird in einem Spectrometer-Teleskop für Röntgenstrahltomographie «STIX» verwendet, ein Schweizer Experiment an Bord des Solar Orbiters, dessen Start in 2019 geplant ist.

Missionsziele

Die Raumsonde wird sich der Sonne bis auf 45 Millionen Kilometer nähern (¼ der Entfernung zwischen Erde und Sonne) näher als jede andere zuvor und wird sich mit der Sonne drehen, wodurch ein bestimmter Teil der Oberfläche für längere Zeiträume ohne Unterbrechung beobachtet werden kann. Dies ermöglicht neue Einblicke in die Aktivitäten der Sonne und ihre Auswirkungen auf die Erde, z.B. bessere Vorhersage der hochenergetischen Teilchen, die Anlagen wie Radio- und Satelliten-Kommunikation auf der Erde stören können. Die Solar Orbiter-Mission soll die zentrale Frage der Heliophysik beantworten: Wie erzeugt und steuert die Sonne die Hemisphäre?

  • STIX-Telescope-Exploded-View

Das STIX-Röntgenteleskop bestehend aus Imager (links) und Detektormodul (rechts) (Bild: FHNW)

  • STiX-DEM - DeE Alignment

Optische Ausrichtung der STIX Detektorelektronik (DeE – Q1)

Das Röntgenteleskop «STIX»

Das Röntgenteleskop «STIX», entwickelt und unter der Leitung der Fachhochschule Nordwestschweiz gebaut, wird Beobachtungen der Sonne mit bisher unerreichter Schärfe und direkte Messungen der Sonnenwinde und geladenen Teilchen in der Nähe ihres Entstehungsorts ermöglichen. Die neue Umlaufbahn erlaubt zum ersten Mal, die Polarregionen der Sonne zu studieren.

Ziel des «STIX» Experiments ist, zum Verständnis der Mechanismen hinter der Beschleunigung von Elektronen an der Sonne und deren Transport in den interplanetaren Raum beizutragen. Das «STIX» Instrument spielt eine Schlüsselrolle bei der Verknüpfung von Fernerkundungs- und In-situ-Beobachtungen im Solar Orbiter mit Imaging-Spektroskopie von thermischer und nicht-thermischer Röntgenstrahlung der Sonne. Diese geben quantitative Informationen über den Zeitpunkt, den Ort, die Intensität und das Spektrum beschleunigter Elektronen und Hochtemperatur-Plasmen, die meist mit Flares oder Mikro-Flares in der Sonnenkorona und Chromosphäre in Verbindung stehen.

  • STIX - Telescope Exploded