Dutch Space test uitklapbare zonnecellen met multibody dynamics

Ruimtevaartonderneming Dutch Space in Leiden is een voortzetting van het oude Fokker Aerospace, dat op papier ophield te bestaan toen voor Fokker in 1995 het doek viel. De ruimtevaartpoot ging vrolijk verder onder de naam Dutch Space, met als resultaat dat er momenteel zo‘n 250 medewerkers werken bij het bedrijf dat sinds 2002 onderdeel is van het Astrium-concern. Dutch Space ontwerpt, ontwikkelt, bouwt en test subsystemen voor satellieten en lanceervoertuigen en is onder meer nauw betrokken bij de ontwikkeling van de Europese draagraket Ariane 5.

In de omvangrijke cleanroom in Leiden wordt momenteel ook gewerkt aan de European Robotic Arm (Era) die op het Russische deel van het internationale ruimtestation ISS zal komen en nu wordt aangepast voor de lancering met een Russische raket. Deze elf meter lange, uit verschillende secties opgebouwde arm kent zeven vrijheidsgraden en zal als een beweegbare ’wandelende tak‘ aan de buitenkant van het ruimtestation allerlei taken kunnen uitvoeren. Hier op aarde hangt de kwalificatieversie van de arm continu aan staaldraadjes, want vanwege de zwaartekracht zouden de scharnierpunten anders bezwijken onder het gewicht van de arm. Eenmaal in de ruimte is dat voor het flight model natuurlijk anders, want dan is er immers (bijna) geen zwaartekracht en kan de arm vijf ton verplaatsen.

Naast ontwikkelaar van dit soort bijzondere technologie is Dutch Space bovenal de belangrijkste onafhankelijke leverancier van zonnepanelen in Europa. Hoe ontwikkel je die? Hoe maak je die panelen licht in gewicht (altijd een belangrijke eis binnen de lucht- en ruimtevaart) maar ook sterk, duurzaam, krachtig en bovenal betrouwbaar? En vooral: hoe test je dat? Wat natuurlijk ook geldt voor de robotarm. Hoe test je een ding dat aan kabeltjes hangt? Daarbij gaat het niet alleen om functie en techniek, ook de prijs is niet onbelangrijk. Want al praten we vaak over astronomische bedragen, zo kost alleen de lancering van een draagraket al een slordige 160 miljoen euro, de concurrentie is er niet minder om. Lean ontwerpen dus. Slim omgaan met de vaak dure exotische materialen en technieken bedenken om constructies licht en sterk te houden en makkelijk te assembleren.

Aramide touwtjes

Van de inmiddels ongeveer 160 zonnepaneelsystemen die Dutch Space sinds 1995 heeft gebouwd en afgeleverd en die allemaal de ruimte in zijn gegaan, heeft er niet een gefaald. Allemaal hebben ze de woeste rit omhoog doorstaan en allemaal klapten ze vervolgens ergens tussen de tien- en vijftigduizend kilometer boven de aarde keurig uit om de satelliet vervolgens jaren van stroom te voorzien.

’Op zonnepaneelgebied is er de afgelopen jaren wel het een en ander gebeurd‘, leidt Marcel Ellenbroek het onderwerp in. Ellenbroek is senior functioneel specialist en werkt al dertig jaar bij Dutch Space. Daarnaast is hij twee dagen per week verbonden aan de vakgroep dynamica en akoestiek van de Universiteit Twente. ’Tegenwoordig maken we gebruik van galliumarsenidecellen, waaruit we de panelen opbouwen. Per paneel praat je over een paar honderd cellen. Haalden de voormalige zonnepanelen met siliciumcellen ongeveer 17 procent rendement, de galliumarsenidecellen leveren met 29 procent bijna het dubbele rendement. Ze zijn natuurlijk ook duurder. Ongeveer een factor vier ten opzichte van de siliciumcellen. Maar het betekent dat je met hetzelfde oppervlak aan panelen veel meer vermogen haalt, of bij gelijke prestaties het oppervlak kunt verkleinen. Dat is interessant.‘

Op een normale satelliet zitten veelal twee zogeheten ’wings‘ met, na in de ruimte te zijn uitgevouwen, elk vier rechthoekige zonnepanelen. Deze bevatten elk honderden galliumarsenidecellen van ongeveer vijf bij drie centimeter. De wing-constructie is met het ruimtevaartuig verbonden door middel van een roterende as zodat de panelen altijd optimaal naar de zon kunnen worden gedraaid. Grotere ruimtevaartuigen, zoals het ATV-vrachtvervoerschip voor de bevoorrading van het ISS, zijn zelfs uitgerust met vier wings met elk vier zonnepanelen.

Tijdens de lancering is de constructie samengevouwen en zitten de panelen van beide wings strak tegen elkaar aan tegen de zijkant van de satellietromp. Voor de fixatie zorgt een hold down-systeem met korte, circa 6 mm dikke gevlochten aramide kabels. Daarnaast is er een zogeheten synchrosysteem met langere kabels die alle panelen verbinden en over geleidingen op de scharnieren lopen. Tijdens het uitvouwen zorgen de synchrokabels voor een gelijkmatige beweging.

De panelen zitten tegen elkaar gevouwen met de zonnecellen van het buitenste deel naar buiten gekeerd. Er zijn dus altijd twee panelen die elektriciteit opwekken, waarvan al wordt gebruikgemaakt alvorens het systeem op de plek in de ruimte is. Eenmaal op positie snijden thermische mesjes de hold down-kabels door en vouwen de zonnepanelen vanzelf open.

Hoe gebeurt dat openvouwen? Met motortjes? ’Nee, nee, dat is veel te ingewikkeld‘, benadrukt Ellenbroek. ’Bovendien voegt dat weer gewicht toe. Iedereen denkt dat ruimtevaart per definitie hightech is. Natuurlijk zitten er complexe systemen in een ruimtevaartuig, maar we proberen alles ook zo simpel en zo licht mogelijk te houden. Voor het openklappen van de zonnepanelen passen we eenvoudigweg scharnieren toe met ingebouwde spiraalveren. Na montage vouwen we het geheel in en fixeren de hold down-kabels de panelen tegen de zijkant van de satelliet. De panelen gaan dus de ruimte in met scharnieren die onder een zekere voorspanning staan. Eenmaal boven zorgen de veren ervoor dat de panelen openvouwen. In de eindpositie klikt er een vergrendeling in een sleuf van elk scharnier, waardoor dit muurvast zit. Het openvouwen mag uiteraard niet te snel gebeuren, want dan zouden er bij het vergrendelen weer te hoge reactiekrachten op de panelen kunnen worden uitgeoefend. Daarom passen we een passief systeem van synchronisatiekabels en een demper toe die de uitvouwsnelheid binnen de perken houden. Deze synchrokabels zijn met een veertje voorgespannen om ervoor te zorgen dat ze tijdens het openvouwen niet van de geleiders en pulleys afschieten.‘

Multibody-simulatie

Met geavanceerde simulatietechnieken kun je op aarde al betrouwbaar de systemen testen die vervolgens de ruimte in worden geschoten. ’Elk Cad-systeem kan tegenwoordig bewegingen simuleren, maar voor de constructies bij Dutch Space heb je daar niet zo veel aan‘, weet Chris Verheul, directeur-eigenaar van Sayfield in Zegveld. Dit bedrijf ondersteunt de industrie bij ontwikkeling en research en is onder meer MSC Software Motion Competence Partner. MSC Software is wereldwijd bekend als aanbieder en ontwikkelaar van simulatie- en ontwerpsoftware, waaronder MSC.Adams, dat geïntegreerde multibody dynamics en functionaliteiten biedt voor simulaties van constructies en regelsystemen. Dit pakket wordt veel toegepast binnen de medische industrie, defensie, automotive, lucht- en ruimtevaart, windenergie- en verpakkingsindustrie.

Wat is multibody-simulatie? Verheul: ’Als je aan het ontwikkelen bent achter een Cad-station, wil je in een zo vroeg mogelijk stadium antwoord hebben op een aantal cruciale vragen. Is dat wat ik nu heb getekend sterk genoeg? Kan de constructie goed bewegen? Maar ook: hoe gedraagt de constructie zich tijdens de beweging en in bedrijf? Om met het antwoord op de eerste vraag te beginnen: daarvoor is er uiteraard de bekende lineaire eindige-elementenmethode, of Fem. Als ik die en die kracht op het onderdeel zet, blijft het dan heel? Dat vertelt lineaire Fem. Daarnaast kun je met de simulatiefunctie van Cad-systemen kijken of iets goed uitklapt en kijken of er geen botsingen tussen onderdelen optreden. Maar de dynamica van constructies die grote bewegingen maken – ofwel: kan de bewegende constructie de krachten aan die tijdens die beweging optreden? – die kun je hiermee niet achterhalen en daarvoor is multibody dynamics ontwikkeld. Dat schurkt dus aan tegen Fem, maar kan ook rekening houden met grote realistische bewegingen in de berekening en analyse.‘

’Belangrijk is dat dit snel kan en het is daarom jammer dat multibody dynamics wat onderbelicht is‘, vindt Verheul. ’Vaak wordt er pas naar gekeken nadat er iets is gesneuveld. Een onderdeel breekt opeens, terwijl dit volgens de Fem-berekening sterk genoeg had moeten zijn. Veel componenten zitten verstopt in een constructie zodat je ook niet kunt kijken wat er gebeurt. Multibody dynamics biedt daarvoor een oplossing omdat deze methodiek rekening houdt met de onderlinge samenhang van de componenten van een complete constructie.‘

De zonnepanelen van Dutch Space bestaan uit grote, uiterst licht geconstrueerde componenten. Verheul: ’Elk paneel gedraagt zich lineair elastisch, terwijl de totale constructie met draagarmen, frameconstructie en de panelen zelf geometrisch niet lineair is. Dat kun je met standaard Fem-pakketten niet meer berekenen. Nu zijn er weliswaar ook niet-lineaire Fem-pakketten, maar die vereisen zeer zware computers die bovendien lang aan het rekenen zijn. Multibody dynamics is veel sneller en bekijkt een constructie als het ware als som van verschillende lichamen die zelf bepaalde eigenschappen hebben en elkaar ook weer beïnvloeden.‘

Schaduw en zon

Aanvankelijk gebruikte Dutch Space een zelf ontwikkeld simulatiepakket. Ellenbroek: ’Met de simulatie in Cad kun je alleen kinematische modellen bekijken, terwijl wij juist in de dynamica zijn geïnteresseerd. Daarvoor is Adams Multibody erg geschikt. Momenteel tekenen we een constructie in 3D-Cad, waarvoor we onder meer de pakketten Solidworks en Catia gebruiken, en daarna stoppen we het in Adams. Hiervoor heb je massagegevensgeometrie en gegevens van onder meer de aandrijving nodig. Het resultaat van de multibody dynamics-analyse uit zich in lichamen met daarop gesuperponeerde elastische vervormingen.‘

’We proberen zo lean mogelijk te ontwerpen, waarbij de constructies dermate sterk moeten zijn dat ze vooral de start overleven‘, gaat Ellenbroek verder. ’Eenmaal in de ruimte is het immers met name het vergrendelmoment bij het uitklappen dat mechanische stress veroorzaakt op de panelen. Daarna is er vooral sprake van thermische stress; tussen schaduw en zon kan zo maar 300 graden Celsius verschil zitten. Daar is bij de opbouw van de panelen terdege rekening mee gehouden. Zo loopt de bedrading in een golfpatroon over de achterkant van de panelen zodat deze niet breekt als het paneel uitzet door de hitte. Voor ons is de grootste eis dat het betrouwbaar moet zijn. Hier in Leiden hangen we de zonnepanelen in een deployment rig in de cleanroom waar we het uitvouwen van de panelen zorgvuldig kunnen testen, maar dan weet je niet hoe het staat met de dynamische belasting. Daarvoor hebben we multibody dynamics van MSC.Adams. Dat al het testen werkt, bewijst onze reputatie als belangrijkste leverancier van zonnepanelen in Europa. Wij hebben inmiddels voor zo‘n drie kwart van de tot nu toe gelanceerde Esa-satellieten zonnepanelen geleverd en allemaal werken en werkten ze feilloos.‘