Wie das „Space Heritage“ Weltraummissionen wie FORUM (ESA) und DRAGONFLY (NASA) effizienter machen kann
Es gibt viele Bereiche, in denen man von den Erfahrungen und dem Wissen der Vergangenheit profitieren kann, doch nur wenige sind so vorteilhaft wie die Nutzung des Erbes früherer Weltraummissionen. TOPTICA EAGLEYARD ist Teil von zwei neuen Raumfahrtprogrammen und zeigt den bedeutenden Einfluss des „Space Heritage„ auf die Missionen FORUM (ESA) und Dragonfly (NASA).
Nur die Besten werden im Weltraum sein – das gilt nicht nur für Astronauten, sondern auch für alle Teile einer Weltraummission, einschließlich der verwendeten Lasersysteme und Laserdioden. Um herauszufinden, welche Person oder welche Komponente die beste ist, gibt es eine Sache, die bei allem, was mit dem Weltraum zu tun hat, ausgiebig getan wird: Testen.
Für Laserdioden bedeutet dies, dass alle Produkte bestimmten Tests unterzogen werden müssen, bevor sie „space qualifiable“ oder „space qualified“ werden. Sobald sie erfolgreich an einer Mission teilgenommen haben, verfügen sie über ein „Space Heritage“, das verschiedene Vorteile für zukünftige Weltraumeinsätze mit sich bringt.
Generell lassen sich drei Qualifikationsstufen für Laserdioden unterscheiden:
- Industrie-Niveau: Basierend auf umfangreicher Erfahrung in hochzuverlässigen industriellen Anwendungen
- Space Qualifiable: Beinhaltet eine spezielle Stückliste (BOM), kundenspezifische Prozesse (falls zutreffend), Dokumentation und zusätzliche Qualitätskontrollen
- Space Qualified: Typischerweise das Ergebnis eines Projekts mit missionsspezifischen Anforderungen, bei dem weltraumerprobte Materialien und Prozesse, wie unter 2. erwähnt, zum Einsatz kommen, gefolgt von erfolgreichen Chargenabnahme- und Qualifikationstests, die vom Qualitätsmanagement durchgeführt werden.
Basierend auf dem Erfüllungsgrad von Nr. 2 und 3 kann das Space Heritage als eine Methode verwendet werden, die den Qualifizierungsaufwand für Prozesse und Komponenten reduziert, die bereits erfolgreich im Weltraum waren und unter den gleichen Bedingungen gebaut wurden.
Der Vorteil des Space Heritages war ein echter Wendepunkt für den 1064 nm DFB von TOPTICA EAGLEYARD, der von ESA und NASA für die Missionen FORUM (ESA) und Dragonfly (NASA) angefordert wurde.
Die FORUM-Mission* der ESA, die 2027 startet, wird Pionierarbeit bei der Messung der Ferninfrarotstrahlung der Erde aus dem Weltraum leisten und Klimamodelle und politische Entscheidungen durch fortschrittliche Instrumente und internationale Zusammenarbeit verbessern. Nur ein Jahr später ist der Start der NASA-Mission Dragonfly** geplant. Sie wird den Saturnmond Titan mit einem drohnenähnlichen Drehflügler erforschen, um seine organisch reiche Oberfläche, seine Atmosphäre und sein Potenzial für präbiotische Chemie zu untersuchen und so Einblicke in frühe erdähnliche Bedingungen zu gewinnen.
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EAGLEYARDs 1064 nm DFB ist eine fasergekoppelte Single Frequency Laser Diode , die eine sehr stabile, schmale Linienbreite erzeugt – ein sehr wichtiger Faktor und eine Voraussetzung, bevor weitere Tests überhaupt in Betracht gezogen werden konnten.
Auf der FORUM-Mission wird der 1064 nm DFB in der Butterfly-Plattform als Seed-Laser für die Interferometrie betrieben, so dass auf der Mission Entfernungen gemessen werden können. Da der angeforderte DFB eine geringere Leistung (nur 5 mW) als das von TOPTICA EAGLEYARD angebotene Standardprodukt haben musste, wurde ein zweistufiger Mikroisolator integriert – mit der Herausforderung, durch diese Designänderung keinen zusätzlichen Qualifizierungsaufwand zu verursachen, um das Weltraumniveau unangetastet zu lassen. Für die Dragonfly-Mission der NASA werden die gleichen Chips und Bausteine verwendet wie für die FORUM-Mission: der fasergekoppelte DFB 1064 nm in einer hermetisch versiegelten Butterfly-Plattform unterscheidet sich nur in der Leistung, den Stufen der integrierten Mikroisolatoren und dem Betriebsmodus. Im Gegensatz zum Standardprodukt von EAGLEYARD, das mit kontinuierlicher Welle betrieben wird, wird dieser DFB als Seed-Laser gepulst, so dass die thermische Belastung geringer ist und die Laserdiode mit einer höheren Leistung betrieben werden kann, die für die LIDAR-Anwendung bei der Mission erforderlich ist.
Glücklicherweise verfügt die DFB 1064 nm Laserdiode von TOPTICA EAGLEYARD über Weltraumerfahrung aus Missionen wie MERLIN (DLR/CNES) und C.A.T.S. (NASA). Dadurch können Komponenten, die bereits für Weltraummissionen getestet und qualifiziert wurden, wiederverwendet werden , ohne dass die gesamte Test Readiness Level (TLR)-Verifizierung erneut durchlaufen werden muss – ein echter Wendepunkt für die neuen Missionen, an denen die DFB 1064 nm beteiligt sein wird. Das Space Heritage kann viel Zeit und Geld sparen, und die Komponenten können redundante Tests vermeiden, wenn sie unter den gleichen Bedingungen wie das Original hergestellt werden. Die TRL-Verifizierung ist in zwei Hauptteile unterteilt: Bewertung und Qualifikation, wie in der Abbildung gezeigt.
Die Evaluierung der Technologie gemäß ESCC 23201 umfasst zerstörende Tests, Dauertests, Stufentests, Konstruktionsanalysen, Bestrahlung, Umwelttests und elektrooptische Tests in verschiedenen Testgruppen, wie auf dem Bild zu sehen. Aufgrund der Weltraumtauglichkeit des DFB 1064 nm waren diese Tests für die FORUM-Mission völlig unnötig. Dies führte zu einer Kosten- und Zeitersparnis von 100 % bei den Bewertungstests und 50 % der gesamten Projektkosten.
Abbildung: TRL-Verifizierungsprozess für den DFB 1064 nm für die FORUM-Mission (ESA), Quelle der Originalabbildung: ESCC 23201 & 23202 (ESA)
In der Qualifizierungsphase finden die LOT-Abnahmetests gemäß ESCC 23202 statt. Diese umfangreichen Tests umfassen Alterungstests von 10.000 Stunden und Screening-Tests in diesen Untergruppen: Mechanik, Umwelt, Ausdauer, Montagefähigkeit, Empfindlichkeit gegenüber elektrostatischen Entladungen, Strahlung und thermisches Vakuum (wie in Abbildung 2 dargestellt). Sobald diese Tests bestanden sind, geht man davon aus, dass die tatsächlichen Flugteile, die auf die Mission gehen, sich genau so verhalten und daher für den Einsatz im Weltraum zugelassen sind.
Zusammenfassend wird sehr deutlich, welche Vorteile das Space Heritage mit sich bringt und wie dies die Integration von Laserdioden sehr viel effizienter macht. Mit einer starken Historie und einem konstanten Fokus auf die Raumfahrt stärkt TOPTICA EAGLEYARD seine Expertise in diesem Bereich und wird so zu einem sehr zuverlässigen Lieferanten für zukünftige Missionen, die von erheblichen Zeit- und Kosteneinsparungen profitieren können.
Lesen Sie die vollständige Pressemitteilung hier.
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Erfahren Sie in diesem Artikel mehr über Weltraumqualifikation.
Über die Missionen:
*Die ESA-Mission FORUM (Far-infrared Outgoing Radiation Understanding and Monitoring), die im Jahr 2027 startet, wird die erste sein, die die Ferninfrarotstrahlung der Erde aus dem Weltraum misst, die mehr als die Hälfte der von der Erde ausgehenden Energie ausmacht. Ausgestattet mit einem Fourier-Transformations-Spektrometer und einem Bildgeber wird FORUM wichtige Daten über Treibhausgase und Wasserdampf liefern, die Klimamodelle verbessern und politische Entscheidungen unterstützen. Es ergänzt das MetOp-Programm der zweiten Generation, das umfassende Messungen der Wärmestrahlung liefert. Unter der Leitung von Airbus UK und mit Beiträgen aus Deutschland (OHB) und Italien (Leonardo) wird FORUM an Bord einer Vega-C-Rakete von Kourou, Französisch-Guayana, starten und einen Durchbruch in der Klimaüberwachung darstellen. Erfahren Sie hier mehr über die Mission.
**Die NASA-Mission Dragonfly soll den Saturnmond Titan erforschen, eine Welt, die reich an organischen Verbindungen ist, um präbiotische chemische Prozesse zu untersuchen, die denen auf der frühen Erde ähneln könnten. Dragonfly startet im Juli 2028 und wird 2034 auf dem Titan ankommen. Mit seiner achtrotorigen, dronenähnlichen Konstruktion wird er Dutzende von Orten anfliegen und die Chemie der Titanoberfläche, die Atmosphäre und das Potenzial für lebensverwandte Moleküle analysieren. Zu den wissenschaftlichen Zielen der Mission gehört das Verständnis der komplexen kohlenstoffreichen Umgebung des Titans und seines Potenzials als Analogon zur frühen Erde. Dragonfly wird vom Johns Hopkins Applied Physics Laboratory geleitet und ist die erste Rotorflugzeug-Mission der NASA auf einem anderen Planeten. Die Mission erfolgt in internationaler Zusammenarbeit mit Agenturen wie CNES, DLR und JAXA im Rahmen des New Frontiers Program der NASA. Erfahren Sie hier mehr über die Mission.
