Deutsches SOFIA Institut
Mit der SOLIDWORKS Research Edition die Entwicklung der fliegenden Sternwarte, einem Gemeinschaftsprojekt von DLR und NASA, vereinfachen
Entwicklung und Optimierung von Teleskopstabilisierung, Tracking-Kamera und Schnittstellensystemen für das Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie (SOFIA), eine fliegende Sternwarte.
Verwendung der Software SOLIDWORKS Research Edition als primäre Entwicklungsumgebung für die Konstruktion und Verbesserung der Teleskopstabilisierung, Tracking-Kamera und Schnittstellensysteme.
- Unterstützung von wichtigen Errungenschaften in der Astronomie
- Verbesserte Schnittstelle zwischen Teleskop/Tracking-Kamera
- Verringertes Gewicht der Teile dank Simulationstools
- Einfache Zusammenarbeit und Kommunikation im Entwicklungsteam
Bei dem Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie (SOFIA) handelt es sich um eine restaurierte Boeing 747 SP, die mit einem 2,7-m-Infrarotteleskop ausgestattet ist, was sie zur einzigen fliegenden Sternwarte der Welt macht. Mit diesem innovativen Forschungsflugzeug können Forscher das Infrarotspektrum von Licht von der Stratosphäre aus sehen, auf deren Höhe SOFIA fliegt. Vom Boden aus ist es nämlich nur teilweise sichtbar. Es wurde in einem Gemeinschaftsprojekt vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der U.S.-amerikanischen National Aeronautics and Space Administration (NASA) entwickelt.
Die wissenschaftliche Nutzung von SOFIA wird vom Deutschen Sofia Institut (DSI), das sich an der Universität Stuttgart befindet, und der Universities Space Research Association (USRA) in den Vereinigten Staaten koordiniert. Ein Konsortium der deutschen Industrie konzipierte und fertigte das Teleskop für das DLR. Das DSI entwickelte die Vibrations- und Rotationsisolationssysteme, die Tracking-Kameras und die Teleskop-/Trackingsystemschnittstelle. Die NASA war für die Anpassung des Langstreckenflugzeugs, die Installation des Teleskops, Flugtests und den Betrieb zuständig. Der Hauptvorteil von SOFIA im Vergleich zu Teleskopen am Boden liegt darin, dass Astronomen die Sternwarte an genau dem Ort positionieren können, an dem seltene Ereignisse am Himmel beobachtet werden können, z. B. Bedeckungen. Außerdem können Beobachtungen aus der nördlichen und südlichen Hemisphäre mit denselben Instrumenten gemacht werden.
Das von Weltraumobjekten ausgestrahlte Infrarotlicht ist für Wissenschaftler von besonderem Interesse und vom Boden aus nur teilweise sichtbar. Dies liegt in erster Linie daran, dass Wasserdampf in der Atmosphäre der Erde den Durchgang der Infrarotstrahlung blockiert. Aus einer Höhe von 13 Kilometern in der Stratosphäre hindert jedoch fast nichts an einer Beobachtung der astronomischen Objekte im Infrarotspektrum.
Laut Dr. Dörte Mehlert von der Universität Stuttgart entwickelte das DSI einen Großteil der SOFIA Systeme in Zusammenarbeit mit Studenten und Doktoranden der Universität. Um die Zusammenarbeit und Entwicklung so einfach wie möglich zu gestalten, war eine gemeinsame 3D-Konstruktionsumgebung vonnöten. DSI wählte die SOLIDWORKS® Research Edition, da sie anwenderfreundlich ist, Konstrukteure Zugriff auf die integrierten SOLIDWORKS Simulation Werkzeuge haben und SOLIDWORKS bei den Projektteilnehmern beliebt ist.
„Wir haben uns in erster Linie für SOLIDWORKS entschieden, weil die meisten unserer Branchenpartner SOLIDWORKS verwenden“, erklärt Yannick Lammen, ein Doktorand im Bereich Maschinenbau der Universität Stuttgart, der an den strukturellen Optimierungen der Vibrations- und Rotationsisolationssysteme des Teleskops arbeitet. „Ich und mindestens ein Kollege hatten SOLIDWORKS vor diesem Projekt noch nie verwendet. Die Software ist aber so leicht zu benutzen, dass ich nur eine Woche brauchte, um es zu lernen.“
SIMULATION VON STRATOSPHÄRISCHEN BEDINGUNGEN
Das SOFIA Entwicklungsteam nutzte die SOLIDWORKS Modellierungssoftware, um die verschiedenen Baugruppen und Komponenten zu konstruieren, die für die Stabilisierung von Teleskop und Tracking-Kameras während des Flugs erforderlich sind. Sie verwendeten ebenfalls die SOLIDWORKS Simulation Werkzeuge zur Prüfung und Verbesserung der Leistungsfähigkeit ihrer Konstruktion in der anspruchsvollen Umgebung eines sich bewegenden Flugzeugs in der Stratosphäre.
„Das SOFIA Flugzeug wackelt und bewegt sich die ganze Zeit. Außerdem muss das Teleskop in einem großen Temperatur- und Druckbereich funktionieren“, erklärt Jan Drendel, Maschinenbaustudent an der Universität Stuttgart, der an der Schnittstelle zwischen den drei Tracking-/Positionierungskameras und dem Teleskop arbeitete. „Das System ist am Boden der kalifornischen Hitze und in der Stratosphäre Temperaturen von fast -40 °C ausgesetzt.
Mit den SOLIDWORKS Simulation Werkzeugen habe ich linear-statische Spannungs- und Wärmeausdehnungsstudien der Kamera-/Teleskopschnittstellenkomponenten durchgeführt“, fährt Drendel fort. „Das Gewicht ist bei Raumfahrtprojekten entscheidend. Mit SOLIDWORKS Simulation konnte ich das Material und Gewicht der Komponenten bei geringer Betriebsspannung reduzieren und die Teile gleichzeitig bei hoher Spannung stärken.“
Mit den Werkzeugen von SOLIDWORKS Simulation habe ich linear-statische Spannungs- und Wärmeausdehnungsstudien der Kamera-/Teleskopschnittstellenkomponenten durchgeführt. Das Gewicht ist bei Luft- und Raumfahrtprojekten entscheidend. Mit SOLIDWORKS Simulation konnte ich Material und Gewicht der Komponenten bei geringer Betriebsspannung reduzieren und die Teile gleichzeitig bei hoher Spannung verstärken.
LEICHTERE ZUSAMMENARBEIT
Zusätzlich zur leichteren Zusammenarbeit und Kommunikation im Konstruktionsteam – z. B. bezüglich des Hin und Hers bei der Stabilisierung des Teleskops und der Positionierung der Kamera-/Teleskopschnittstelle – vereinfachte die SOLIDWORKS Konstruktionsumgebung auch die Interaktion mit anderen Teams, die für Elektronik-, Software- und Optikentwicklung zuständig waren. „An diesem Projekt waren viele andere Bereiche beteiligt“, sagt Lammen.
„Die erweiterten Funktionen zur Visualisierung der Konstruktion in SOLIDWORKS – einschließlich der Werkzeuge für Rendering und Animation – erleichterten die Kommunikation zwischen den verschiedenen Bereichen sowie den in die Montage und Demontage involvierten Partnern“, meint Lammen.
WICHTIGE ASTRONOMISCHE ERRUNGENSCHAFTEN
Die Entwicklung der fliegenden Sternwarte SOFIA, die ihren ersten wissenschaftlichen Flug 2010 absolvierte und offiziell im Mai 2014 in Betrieb ging, führte zu einer Reihe an astronomischen Errungenschaften. Darunter die Pluto-Bedeckung, als sich der Schatten Plutos über die Erde bewegte; die Entdeckung zweier neuer Moleküle in der interstellaren Materie, Schwefelhydrid und deuteriertes Hydroxyl; sowie Entdeckungen bei Gasdynamik und Sternbildung im Zentrum unserer Galaxie, der Milchstraße.
„SOFIA kann zum richtigen Zeitpunkt am richtigen Ort sein“, sagt Lammen. „Ich war auf jeden Fall zur richtigen Zeit am richtigen Ort. Es war einfach eine einmalige Gelegenheit, an der Entwicklung einer echten astronomischen Innovation mitzuarbeiten.“