Dr. Hans Kärcher, mt-mechatronics
Ein erdgebundenes Teleskop vertraut sich in seiner Lageregelung der Stabilität der rotierenden Erde an. Ein Weltraumteleskop vertraut der Trägheit seiner eigenen Masse im Schwerefeld des Universums. Wie ist das aber mit einem Teleskop, das in einem wackligen Flugzeug untergebracht ist, und wie entwirft man es so, dass es trotzdem mit extremer Genauigkeit auf die gewünschten Objekte am Himmel ausgerichtet werden kann? Darüber will ich in dem Vortrag aus der Sicht des Ingenieurs berichten, der das Teleskop entworfen hat.
Für einen entwerfenden Ingenieur ist es immer gut, wenn er auf die Arbeit von Vorgängern aufbauen kann, und so war es auch bei SOFIA. Sein Vorgänger war das Kuiper Airborne Observatory KAO der NASA, ein Teleskop mit 90cm Spiegeldurchmesser, das in einem sonst als Truppentransporter genutzten Flugzeugtyp untergebracht war. Das KAO hatte eine „Inertialstabilisierung“, und so ist es auch mit SOFIA. Sie funktioniert prinzipiell genauso wie die Stabilisierung eines Weltraumteleskopes. Als zusätzliches Problem müssen aber beim Betrieb die Störungen aus der Flugzeugumgebung beherrscht werden, die es bei einem Weltraumteleskop nicht gibt. Dies sind insbesondere Vibrationen der Flugzeugstruktur, die vom Teleskop ferngehalten werden müssen; und außerdem aero-akustische Anregungen in der Flugzeugkabine, die es im Weltraum ebenfalls nicht gibt. Deswegen ist das Teleskop über zwei isolierende Bauteile im Flugzeug gelagert: 1) dem Vibration Isolation System VIS, dass die Flugzeugvibrationen abdämpft, und 2) dem Rotation Isolation System RIS, das rotatorische Störungen auffängt. Beides sind Untersysteme, die in einem normalen erdgebundenen Teleskop in dieser Form nicht vorkommen. Das VIS hat gewisse Ähnlichkeiten mit dem Federungssystem eines Kraftfahrzeuges, und deshalb wurde es auch durch pneumatische Federelemente realisiert, wie sie im LKW-Bau vorkommen. Zum RIS dagegen sind kaum ähnliche erdgebundene Anwendungen bekannt. Es besteht aus einem sphärischen hydrostatischen Lager, das die träge Masse des Teleskops vom Flugzeug entkoppelt, und einem darum herum angeordneten dreiachsigem sphärischen Torquemotor, der völlig neu entwickelt wurde.
Das alles muss dann im Flugzeug untergebracht werden, und sowohl die unterschiedlichen Temperatur und Druckschwankungen am Boden und während des Fluges bewältigen und außerdem noch eine Flugtauglichkeitsprüfung überstehen. Und dazu noch die ganzen Design Reviews, in denen die Entwicklungsarbeiten gegenüber hochkarätig besetzten internationalen Review-Boards verteidigt werden müssen.
In meinem Vortrag werde ich versuchen, die damit verbundenen Herausforderungen, aber auch die „ existentielle Freude“ dieser Entwurfsarbeit verständlich zu machen.
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