Raumfahrt

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
  • 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
  • 3D-MID Sun Sensor 1

Resultate

Die wichtigsten Ergebnisse, die bei der Durchführung dieses Projekts erzielt wurden, sind:

  • Reduktion von Höhe und Gewicht um bis zu 75% im Vergleich zu den derzeit in Standardtechnologien erhältlichen Sonnensensoren. Daher wären 3D-MID Sonnensensoren ideal für den Einsatz auf nahezu allen Satelliten, bei denen Masse ein kritischer Parameter ist, insbesondere auf Mikrosatelliten / Cubesats
  • Umwelttests (Thermozyklus und Lebensdauertest) zeigten, dass alle Testmuster voll funktionsfähig ohne nennenswerte Verschlechterung überlebten
  • Vibrations- und Schocktests zeigten einige strukturelle Schäden, es wurden aber ausreichend Informationen gewonnen, um die Probleme zu beheben
  • Informationen für die Systemtechnik im Zusammenhang mit der 3D-MID Konstruktion und der Nutzung des zusätzlichen Freiheitsgrades bei der Platzierung der elektronischen Komponenten
  • Informationen für Hersteller für Prüf- und Montagetechnikanforderungen in der Raumfahrt (z.B. Nachweis der Au-Drahtbonden auf 3D-MID)
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

Das SPICE-Instrument

Stratospheric Particle Injection for Climate Engineering

SPICE ist ein hochauflösendes Bildgebungsspektrometer, das bei extremen ultravioletten Wellenlängen arbeitet und die wichtigsten wissenschaftlichen Ziele von Solar Orbiter adressiert, indem es quantitative Kenntnisse über den physikalischen Zustand und die Zusammensetzung der Plasmen in der Sonnenatmosphäre bereitstellt, insbesondere die Erforschung der Quellenbereiche von Abflüssen und Auswurfprozessen, die die Sonnenoberfläche und Korona mit der Heliosphäre verbinden.

SPICE wurde entwickelt, um die Struktur, Dynamik und Zusammensetzung des Übergangsbereichs und der Korona zu untersuchen, indem wichtige Emissionslinien auf der Sonnenscheibe auf Zeitskalen von Sekunden bis zu Zehnerminuten beobachtet werden. Ein Schlüsselaspekt von SPICE ist die Fähigkeit, die räumlichen und zeitlichen Signaturen von Temperatur- und Dichte-Tracern zu quantifizieren, um die Wechselbeziehung zwischen der Chromosphäre, koronalen Strukturen, koronalen Massenauswürfen, der Sonnenwinde und der unteren Korona zu entschlüsseln.

Unter Beobachtung der Intensität ausgewählter Spektrallinien und Linienprofile zweier EUV-Wellenlängenbänder (70.4 – 79.0 nm und 97.3 – 104.9 nm) leitet SPICE Informationen zu Temperatur, Dichte, Strömung und Zusammensetzung eines breiten Spektrums von Plasmen ab, die in der Sonnenatmosphäre bei Temperaturen von 10’000 bis 10’000’000 Kelvin gebildet werden.

SPICE Spaltwechselmechanismus
(Foto: Almatech SA)

Slit Change Mechanism (SCM)

Kunde: Almatech Sàrl

Der Spaltwechselmechanismus (Slit Change Mechanism), der sich im Herzen des SPICE-Instruments befindet, bietet vier austauschbare Schlitze unterschiedlicher Breite, die für die Streuung des Lichts von der Sonne erforderlich sind. Das Bild der Sonne, das durch den parabolischen Aussenspiegel gebildet wird, wird an die vier Spalten gesendet. Jeder der Schlitze wählt einen Teil des Sonnenbildes aus und gibt ihn an zwei Detektor-Arrays weiter und kann je nach den durchzuführenden wissenschaftlichen Aktivitäten individuell in die aktive Schlitz-Position gebracht werden.

Unser Beitrag

  • Überprüfung des funktionalen Designs, der Schaltpläne und des Elektronik-Layouts
  • Herstellung und Test von Elektronik
  • Sicherheitskontrolle und EMV-Prüfung

  • STIX-Telescope-Exploded-View

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

Das STIX-Instrument

Spectrometer Telescope for Imagining X-rays (STIX)

Art of Technology erhielt von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) den Auftrag für die Konzeption, Entwicklung, Herstellung und Lieferung des Detektor-Elektronikmoduls (DEM), das in einem Spektrometer-Teleskop für Röntgenstrahltomographie (STIX) eingesetzt wird… ein Schweizer Experiment, finanziert vom Swiss Space Office (SSO) und eines von zehn Instrumenten an Bord des Solar Orbiters.

Die Raumsonde wurde am 10. Februar 2020 vom Kennedy Space Center in Cape Canaveral aus gestartet und wird sich der Sonne bis auf 45 Millionen Kilometer nähern (ein Viertel 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?

Entwickelt und gebaut unter der Leitung der Fachhochschule Nordwest (FHNW), wird das STIX-Instrument Beobachtungen der Sonne mit beispielloser Schärfe und direkten Messungen von Sonnenwinden und geladenen Partikeln in der Nähe ihren Ursprungsortes liefern. Die neue Umlaufbahn ermöglicht die Erforschung der anderen Seite der Sonne, die von der Erde aus nicht zu sehen ist… und zum ersten Mal der Polarregionen.

STIX wird dazu beitragen, die Mechanismen hinter der Beschleunigung der Elektronen an der Sonne und ihrem Transport in den interplanetaren Raum zu verstehen. STIX wird auch eine Schlüsselrolle bei der Verknüpfung von Fernerkundungs- und in-situ-Beobachtungen mit bildgebender Spektroskopie von solar-thermischen und nicht-thermischen Röntgenemissionen spielen, sowie bei der Bereitstellung quantitativer Informationen zu Timing, Ort, Intensität und Spektren beschleunigter Elektronen und Hochtemperatur-Thermoplasmen, die hauptsächlich mit Fackeln oder Mikrofackeln in der Sonnenkorona und Chromosphäre in Verbindung gebracht werden.

Das STIX-Instrument ist in drei Subsysteme unterteilt, die in zwei verschiedenen thermischen Umgebungen arbeiten: Durchführung mit zwei Röntgenfenstern, Gitter mit Aspektsystem und Detektor-Elektronikmodul (DEM). Die Gitter und das DEM befinden sich innerhalb der Sonde, während die Durchführung vom Hitzeschild umgeben und eines der Fenster direkt der Sonne ausgesetzt ist. Die Innentemperatur der Raumsonde wird im heissen und kalten Betriebsmodus auf +50°C bzw. -20°C gehalten, während die im DEM befindlichen CdTe-Detektoren durch ein von der Sonde versorgtes Kühlelement auf etwa -20°C gehalten werden.

  • STIX - Telescope Exploded

Detektor-Elektronikmodul (DEM)

  • STiX-DEM - DeE Alignment

Optische Ausrichtung der STIX Detektorelektronik (DeE – Q1)

Detektor-Elektronikmodul (DEM)

Kunde: European Space Agency (ESA)

Das DEM umfasst eine Kälteelektronik mit 32 Detektoren (die hinter jedem Kollimator des Imagers ausgerichtet sind, um Photonenzählung und Spektroskopie im harten Röntgenbereich durchzuführen, sowie analoge Puffer, Filter und Temperatursensoren), die an ein Kühlelement bei -20°C angeschlossen sind und Wärme-Front-End-Elektronik (einschliesslich Analog-Digital-Wandler, Spannungsregler, Testimpulsgenerator, Filter) möglicherweise bei +50°C.

Die IDPU (Instrument Data Processing Unit) umfasst Netzteile (PSU), FPGAs zur Steuerung der Detektoren (Konfiguration und Ereignisanzeige) und alle ADCs (für die Codierung von Photodioden-, Temperatur- und Photonenenergiesignalen) sowie Fluganwendungssoftware für wissenschaftliche Datenverarbeitung und Space-Wire-Kommunikation mit der Raumsonde.

Unser Beitrag

Design, Entwicklung, Produktion, Integration und Test vonUnterstützung des Systemdesigns
  • Detektorelektronik (DeE)
  • Hochspannungselektronik (HVE)
  • Back-End Elektronik (BEE)
  • Support / Überprüfung des Flugdesign-Layouts (PSU)
  • Schnittstelle zum Netzteil (PSU)
  • Schnittstelle zur IDPU (Instrument Data Processing Unit)
Unterstützung der Instrumentenintegration und -prüfungElektronische Bodenausrüstung (EGSE)
  • Netzteil (PSU)
  • Instrumentendatenverarbeitungseinheit (IDPU)
  • Betreuung der Funktionsprüfung während Produktion
  • Betreuung der Funktionstests während Integration
  • Überwachung von EMV-Tests
  • Überwachung von Qualifikations- und Abnahmetests
  • Herstellung und Test von Elektronik und Testadaptern