28. AUGUST 2016

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Fliegende Sternwarte


Luftfedersystem – Vibrationsfreie Arbeitsbedingungen sind das A und O an Bord der fliegenden Sternwarte SOFIA – einer für die Erforschung von Planetensystemen umgebauten Boeing 747.

Das Projekt SOFIA soll fundamentale Fragen der galaktischen und extragalaktischen Astronomie beantworten. Zum Beispiel die Entstehung von Sternen und Planetensystemen sowie den Ursprung des Sonnensystems. Warum dazu ein Flugzeug in 14 Kilometer Höhe aufsteigen muss, ist leicht zu beantworten. SOFIA kann in dieser Höhe den Blick für die Bereiche des Infrarot-Spektrums öffnen, die erdgebundenen Observatorien verschlossen sind. Tatsächlich sind infrarot strahlende Himmelskörper erst in der Stratosphäre nahezu ungestört erfassbar, während die Beobachtung dieser Objekte von der Erde aus durch den Wasserdampf in der Erdatmosphäre sprichwörtlich vernebelt wird.

Teleskop-Federung
Herzstück von SOFIA ist ein 17 Tonnen schweres Teleskop, das im Flugzeugheck durch eine Luke nach draußen blickt – das weltweit größte Infrarot-Teleskop mit extrem hoher räumlicher Auflösung. Der Primär-Spiegel hat einen Durchmesser von 2,7 Metern. Damit wird SOFIA um ein Vielfaches höher aufgelöste Messergebnisse liefern, als es das bis 1995 betriebene Kuiper Airborne Observatory, ein umgebauter Lockheed-Transporter L200, vermochte. Die Luftfedertechnik spielt an Bord nicht nur eine tragende, sondern die Schlüsselrolle. Das Teleskop ruht auf einem Vibrations- Isolationssystem (VIS), das aus einem Luftfedersystem und silikonölbefüllten Dämpfern besteht. Mehrfach garantiert das Luftfedersystem die Funktionalität des Teleskops: Es absorbiert störende Vibrationen, die vom Flugzeug selbst ausgehen beziehungsweise bei geöffneter Luke durch die Windströmung verursacht werden. Mithilfe seiner Regelelektronik und -sensorik hält das Luftfedersystem das Teleskop exakt in seiner Position, bezogen auf den Flugzeugrumpf. Dadurch bleibt das hochempfindliche Observationsinstrument jederzeit perfekt auf das Beobachtungsziel ausgerichtet. Das Luftfedersystem arbeitet präzise auch unter extremen Bedingungen. In der vom Laborraum separierten Teleskop- Kammer herrschen bei geöffneter Beobachtungsluke minus 60 Grad und ein Fünftel des normalen Luftdrucks, der zudem mit jeder Flughöhenänderung variiert.

Komplexer Aufbau
Hergestellt werden die 24 Einbeziehungsweise Zweifaltenbälge und die sensorische Regelung von ContiTech Air Spring Systems. Die komplexe Konstruktion des SOFIA-Luftfedersystems besteht aus 12 Luftfedern in axialer Richtung, um die Druckdifferenz zwischen dem Flugzeuginneren und der Teleskopkammer auszugleichen und Vibrationen der x-Achse zu isolieren. Weitere 12 Luftfedern in radialer Ausrichtung haben die Aufgabe, das Teleskop anzuheben und es von Vibrationen der y- und der z-Achse zu isolieren. Drei Dämpfer, die sich im 120-Grad-Winkel zwischen den radial angeordneten Luftfedern befinden, sind in allen sechs Freiheitsgraden wirksam.
Die Druckluftzufuhr erfolgt über Höhenregelventile, die unabhängig voneinander einzelne Gruppen von Luftfedern ansteuern. Die axial ausgerichteten Luftfedern werden über ein redundantes Leitungssystem versorgt. Redundant heißt hier, dass jeder Luftfeder ein Ventil vorgeschaltet ist, das bei Stromausfall schließt und den Druck in den Luftfedern aufrechter- hält. Für Frequenzen oberhalb der Eigenfrequenz des Vibrations- Isolationsystems, circa 2,5 Hz, ist der Isolierungsgrad des Luftfedersystems ausreichend. Bei langsamen Bewegungen, die durch Windströmung auftreten, wird das Teleskop durch Regulierung der Luftmenge in seiner Position gehalten.

Brandverhalten
Das Projekt SOFIA bedeutete einen völlig neuen Anwendungsfall für Luftfedertechnik. Auch materialtechnisch war es eine besondere Herausforderung. Die speziell entwickelten Luftfederbälge sind aus einem selbstverlöschenden Elastomer gefertigt. Eckhard Bremers, Projektleiter beim Teleskop-Entwickler MT Aerospace, betont: »Ein wichtiges Auswahlkriterium war für uns das Brandverhalten der Luftfeder. Die ContiTech-Luftfedern sind erfolgreich getestet und erfüllen die Nichtbrennbarkeitsanforderungen der NASA. Ein zweiter maßgeblicher Aspekt für die Kooperation bestand darin, dass wir neben der Systemlieferung auch mit allen Engineering-Leistungen von der Auslegungsberechnung bis zur Endmontage am amerikanischen NASA-Stützpunkt bedient wurden. « Darüber hinaus ist das verwendete Elastomer beständig gegen UV-Einwirkung und kosmische Strahlung. Ferner schützt sein geringer Oberflächenwiderstand das Teleskop vor elektrostatischer Aufladung.

20 Jahre Forschen
Im Jahr 2007 absolvierte SOFIA erfolgreich die ersten Testflüge. Weitere folgen, ehe Ende 2008 der Forschungsbetrieb aufgenommen werden soll. Dann wird die fliegende Sternwarte von Kalifornien, Neuseeland und Deutschland aus rund 160-mal jährlich zu Beobachtungsexkursionen abheben. Insgesamt ist für das SOFIA-Projekt eine Betriebsdauer von rund 20 Jahren vorgesehen.

Ausgabe:
:K 07/2008
Unternehmen:
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