Cyber Reaction Wheel, Bild: Wittenstein

Das kompakte Reaktionsrad Cyber Reaction Wheel 2 wurde speziell für die Verwendung in Lageregelungssystemen in Pico- und Nano-Satelliten entworfen. - Bild: Wittenstein

Ende September 2020 starteten vier „NetSat“-Kleinst-Satelliten des Würzburger Zentrums für Telematik ins Weltall. Ihre Mission: eine verbesserte Erdbeobachtung bei der Erforschung des Klimas und des Klimawandels. An Bord jedes Satelliten befinden sich jeweils sechs Miniatur-Reaktionsräder Cyber Reaction Wheel 2 von Wittenstein Cyber Motor.

Das vom Unternehmen S4 – Smart Small Satellite Systems – daraus aufgebaute 3-Achs-Lageregelungssystem erlaubt eine genaue Ausrichtung auf Beobachtungsziele, aber auch die Einstellung des Elektromotors auf die gewünschte Schubrichtung für Änderungen der Umlaufbahn. So wird eine dreidimensionale Anordnung der vier Kleinst-Satelliten für optimale Beobachtungen ermöglicht und kontinuierlich nachgeführt.

Bild: Wittenstein Cyber Motor

„Die miniaturisierten Reaktionsräder wurden für den anspruchsvollen Dauereinsatz im All ausgelegt.“


Christoph Weis, Produktmanager, Wittenstein Cyber Motor

In 600 km Höhe die Erde umrunden

Mit einer russischen Sojus-Rakete wurden die gerade einmal vier Kilogramm schweren und nur 10 x 10 x 30 cm großen NetSat-Satelliten vom Weltraum­bahnhof Kosmodrom Plessezk im Norden Russlands in das Weltall gebracht. Nun umrunden sie die Erde auf ihrer Umlaufbahn in 600 Kilometer Höhe. Ihre Aufgabe ist es, die Techniken für eine Selbstorganisation der Formation im Orbit zu erforschen. Die dadurch ermöglichten, neuartigen Erdbeobachtungsansätze sollen aber nicht nur Klimavorhersagen verbessern. Gleichzeitig ist daran gedacht, mit dem Projekt die Grundlagen für innovative, künftige Telekommuni­ka­tionssysteme zu legen.

Bessere Bilder für bessere Klimadaten

NetSat-Kleinst-Satellit, Bild: Zentrum für Telematik
Die vier NetSat-Kleinst-Satelliten mit Abmessungen von 10 x 10 x 30 cm organisieren sich beim Formationsflug in einer Umlaufbahn in 600 km Höhe selbst. - Bild: Zentrum für Telematik

Die bereits in Vorbereitung stehende nachfolgende Mission zur Erdbeobachtung TOM (Telematics earth Observation Mission) erklärt Prof. Dr. Klaus Schilling von der Universität Würzburg und zugleich Vorstand des Zentrums für Telematik: „Die drei TOM-Kleinst-Satelliten sollen die Erdoberfläche aus verschiedenen Richtungen dreidimensional erfassen, ohne tote Winkel und verdeckte Punkte auf den Bildern. Hierzu müssen die drei Satelliten sich selbst organisieren und in optimaler Formation zueinander positionieren. Ihre jeweiligen Bildinformationen werden zu einer ganzheitlichen 3D-Darstellung fusioniert, die die Erdoberfläche ohne perspektivbedingte Abschattungen darstellt.“

Für den Datenaustausch sind alle Satelliten einer Formation mit einer Funkverbindung ausgestattet, über die sie ihre Relativ-Positionen und -Ausrichtungen untereinander austauschen. Damit werden die Manöver der Kleinst-Satelliten zum Formationsbetrieb des Multi-Satellitensystems per Funk koordiniert – und mit den jeweils sechs an Bord befindlichen, miniaturisierten Präzisions-Reaktionsrädern, die das von S4 realisierte, redundante 3-Achs-Lageregelungssystem bilden, ausgerichtet.

Orbitregelung und Formationshaltung

NetSat beim Dynamik-Test, Bild: S4 - Smart Small Satellite Systems
Ein NetSat beim Dynamik-Test auf dem Drehtisch - Bild: S4 - Smart Small Satellite Systems

Dabei sind die NetSat-Kleinst-Satelliten, die im Zentrum für Telematik in Würzburg hergestellt wurden, nicht denkbar ohne die Reaktionsräder in ihrer 2 x 2 x 2 cm kleinen Würfelbauform, die die Raumflugkörper im Weltall um die x-, y- und z-Richtung drehen. Julian Scharnagel, Leiter Entwicklung beim Zentrum für Telematik, ist beeindruckt von der hohen Leistungsdichte des zudem nur etwa 30 Gramm schweren Cyber Reaction Wheel 2: „0,1 Millinewtonmeter nominales Drehmoment und 19.000 Umdrehungen pro Minute nominale Geschwindigkeit sind schon außergewöhnliche Werte.“ Hinzu kommt ein selbstkalibrierender Regelalgorithmus, der eine hoch präzise Lageregelung gewährleistet. Dadurch eignen sich die Reaktionsräder ideal zur hochgenauen dynamischen und statischen Schwenksteuerung der NetSat-Kleinst-Satelliten, da Bewegungen sehr präzise ausgeführt und die Reaktionsräder kompakt integriert werden müssen.

Bei der Inbetriebnahme des Cyber Reaction Wheel 2 leistet das passende Starterkit für das Reaktionsrad wertvolle Dienste. Zum einen lässt es sich mit einem PC und der grafischen Benutzerschnittstelle MotionGUI 2 innerhalb weniger Momente in Betrieb nehmen. Zum anderen ist es ohne großen Aufwand möglich, neben den Parametrisierungen auch Diagnosen und weitere Optimierungen durchzuführen.

So filigran die miniaturisierten Reaktionsräder auf den ersten Blick erscheinen, so konsequent haben die Spezialisten von Wittenstein Cyber Motor sie für den anspruchsvollen Dauereinsatz im All ausgelegt. So beträgt die Leistungsaufnahme nicht einmal 200 Milliwatt, wodurch sich die Regelungsmanöver über viele Jahre hinweg sehr energieeffizient durchführen lassen. Mechanik und Elektronik sind nicht nur auf kleinstem Bauraum integriert, sondern auch gegen das raue Einsatzumfeld im Orbit gewappnet – durch vakuumtaugliche Lager, den Einsatz strahlungsresistenter Komponenten sowie durch eine hohe thermische Widerstandsfähigkeit für Temperaturen von –40 bis +100 Grad Celsius.

Die Erfolgsgeschichte fliegt weiter

Das Zentrum für Telematik wird die Ergebnisse und Erfahrungen des NetSat-Projekts für die nächsten Kleinst-Satelliten-Missionen nutzen, beispielsweise bei der internationalen Telematics earth Observation Mis­sion (TOM) zur 3D-Erdbeobachtung von Vulkanausbrüchen, Erdbeben und Schiffsbewegungen, oder im Projekt CloudCT, das mit Methoden der Computertomografie mittels zehn Kleinst-Satelliten das Innere von Wolken analysiert, um weitere oder verbesserte Parameter für Klimamodelle zu erhalten. Das Unternehmen Wittenstein Cyber Motor hat mit dem Cyber Reaction Wheel 2 zukünftig auch eine Technologie für das Weltall im Programm. Das kompakte Design in Verbindung mit konsequenter Leichtbauweise und kompromissloser Robustheit ermöglicht es, eine dynamische und statische Schwenksteuerung nicht nur in Nano-Satelliten wie die NetSats zu integrieren, sondern möglicherweise auch in noch kleinere Pico-Satelliten.

Auszeichnung für die Elektronik des Reaktionsrades

  • Der FED e.V. (Fachverband für Design, Leiterplatten und Elektronikfertigung) ehrt mit dem PCB Design Award jedes Jahr die Leistungen von Leiterplatten-Designern im deutschsprachigen Raum.

  • Die unabhängige Jury hat entschieden, dass die Integrationslösung der Elektronik des Cyber Reaction Wheel 2 besonders smart und elegant gelöst wurde. Deshalb hat die Jury diese mit dem PCB Design Award 2020, genauer gesagt mit dem 1. Preis in der Kategorie „Besondere Kreativität“, ausgezeichnet.

  • „Unglaublich, was man auf knapp 4,20 cm2 bei einseitiger Bestückung alles auf einer Leiterplatte unterbringen kann“, so die Fachjury.

Mini-Antriebstechnik nicht nur für den Orbit

Das Reaktionsrad ist übrigens das kleinste mechatro­nische Antriebssystem im Portfolio des Herstellers sein. Andere kundenspezifische Lösungen, wie beispielsweise die Kleinservoantriebssysteme für hochdynamische Motion-Control-Anwendungen, das modulare Cyber iTAS System für FTS oder die gehäuselosen Servomotoren der Cyber Kit Line für den direkten Einbau in OEM-Maschinen, sind im Gegensatz zum Cyber Reaction Wheel 2 eher in terrestrischen Applikationen in der Umlaufbahn. Dort aber nicht minder zukunftsweisend und erfolgreich.

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