Gecontroleerde precisie op anderhalf miljoen kilometer van de aarde

Op 14 maart 2009 lanceerde de Europese ruimtevaartorganisatie Esa vanaf haar basis in Frans-Guyana de Herschel-telescoop. Aan boord het heterodyne instrument for the far infrared (Hifi), ontworpen en gebouwd door een internationaal consortium onder leiding van het Nederlandse expertisecentrum voor ruimteonderzoek SRon. Het functioneren van de gevoelige instrumentatie aan boord van de Herschel is onderhevig aan de extreme omstandigheden in het heelal. In het geval van het Hifi komt hier nog bij dat de instrumentatie tot cryogene temperaturen (-253 graden Celsius) is afgekoeld om warmtestraling van de onderdelen tot een minimum te limiteren. Die straling zou de astronomische waarneming namelijk aanzienlijk vertroebelen.

Een belangrijk onderdeel in het Hifi-instrument is het choppermechanisme. Dit is een spiegel van 125 gram die over een maximale hoek van vijftien graden kan roteren. Hiermee verandert de kijkrichting van de telescoop. Door deze kleine spiegel in plaats van de gehele telescoop te draaien, kan hij veel sneller en met minder energieverbruik choppen tussen twee posities aan de hemel. Je kunt de methode vergelijken met het draaien van je oog in plaats van je hele lichaam wanneer je een andere kant op wilt kijken.

Gedurende een astronomische observatie wordt steeds gechopt tussen de waar te nemen bron en de donkere ruimte van het heelal. Deze tweede waarneming kun je als ruis beschouwen. Door het bronsignaal te corrigeren voor deze waarneming verwijdert het systeem een groot deel van de ruis uit de eigenlijke observatie. Tijdens het choppen verliest de telescoop de interessante bron echter even uit het oog. Daarom is het van belang de duur van de beweging zo veel mogelijk te beperken. Daarnaast stellen we hoge eisen aan de stabiliteit van de spiegel tijdens de waarneming. Een trillende spiegel vertroebelt namelijk het beeld. Voor het choppermechanisme van het Hifi is een maximale schakeltijd van veertig milliseconde en een hoekstabiliteitseis van 0,0083 graden gespecificeerd.

De extreme temperaturen en de vacuümcondities beperken de ontwerpvrijheid. Verder worden er hoge eisen gesteld aan de betrouwbaarheid van het mechanisme. Al deze aspecten in combinatie met de extreme mechanische belastingen tijdens de lancering vragen om speciale aandacht bij de ontwikkeling.

Krimp

Bij het ontwerp van onze mechanismen zijn er nog meer aspecten waarmee we rekening moeten houden. De materiaalkeuze is bijvoorbeeld zeer beperkt doordat de meeste kunststoffen en een deel van de metalen onbruikbaar zijn in een cryogene omgeving. Door het vacuüm gassen onderdelen uit, wat voor vervuiling kan zorgen op andere componenten. Verder maakt de extreme kou veel materialen erg bros, waardoor de mechanische eigenschappen onbetrouwbaar worden.

 advertorial 

RFID-toegangsbeveiliging nu nog makkelijker

Voor Identification and Access Management (I.A.M.) heeft Pilz het bedrijfsmoduskeuze- en toegangsautorisatiesysteem PITmode. Voor een onderdeel van dit systeem, de PITreader, heeft Pilz een RFID-transponder in kaart- en stickerformaat ontwikkeld. Alle varianten zijn vrij beschrijfbaar en rechten kunnen vastgelegd worden door gebruik te maken van de eenvoudig passende softwaretools.

In het ontwerp moeten we ook wrijving tussen onderdelen zo veel mogelijk zien te vermijden omdat het gebruik van smeermiddelen (vloeibaar of vast) vrij complex is in cryogene omstandigheden. Veel smeermiddelen bevriezen bij deze temperaturen of gassen uit. Wrijving is daarnaast ook ongewenst voor het nauwkeurig sturen van de spiegel omdat dit effect lastig is te modelleren. De keuze van motoren, sensoren en scharnieren is hierdoor tamelijk beperkt.

Wanneer het instrument wordt afgekoeld, kan er spanning in de componenten ontstaan door het verschil in krimp van verschillende materialen. Als we hier geen rekening mee houden, kan dit in het ergste geval leiden tot kapotte onderdelen. Om de negatieve effecten van differentiële krimp te beperken, proberen we zo veel mogelijk te werken met hetzelfde materiaal of met materialen met vergelijkbare uitzettingscoëfficiënten. Verder laten we, waar nodig, ruimte in het ontwerp om verschil in krimp op te vangen. Dit doen we door de bevestiging van onderdelen slim te kiezen zodat deze niet volledig zijn gefixeerd maar in de krimprichting ten opzichte van elkaar kunnen bewegen.

Zoals gezegd, is betrouwbaarheid van het allergrootste belang in de ruimtevaart. We kunnen het instrument tenslotte niet even terughalen als er iets kapot is. Daarom werken we zo veel mogelijk met componenten en principes die zich al tijdens eerdere missies hebben bewezen. Verder zorgen we waar mogelijk voor redundantie zodat een eventueel defect onderdeel niet direct het einde van de missie betekent maar een andere component die functie kan overnemen.

Voorbeeldig

In Figuur 1 is het uiteindelijke mechanisme weergegeven. De spiegel (1) kan roteren rond de verticale as, zoals in de figuur is aangegeven. Voor de ophanging van de spiegel gebruiken we pivot-kruisveerscharnieren. Zo‘n scharnier (zie Figuur 2) bestaat uit twee cilinders die met elkaar verbonden zijn door een aantal bladveren. De ene cilinder is verbonden aan het chopperframe, de andere zit ingeklemd in de spiegel. Door het buigen van de bladveren kan de spiegel nu gecontroleerd en zonder wrijving roteren ten opzichte van het frame. In een apart testprogramma hebben we aangetoond dat de pivots bestand zijn tegen een vermoeiingsbelasting van honderd miljoen rotaties over een hoek van vijf graden – de eis van Esa.

Twee luidsprekermotoren (3) sturen de spiegel aan. Eén motor zou in principe voldoende zijn om de spiegel over het hele bereik te roteren. Vanwege redundantie gebruiken we er echter twee. Bovendien reduceren we zo het benodigde vermogen. Het gedissipeerde vermogen neemt namelijk kwadratisch toe met de stroom door de windingen. Twee motoren kunnen dezelfde kracht leveren wanneer de stroom wordt gehalveerd. Het gedissipeerde vermogen per motor is dus slechts een kwart van de dissipatie wanneer er één motor actief is. Omdat er nu twee motoren actief zijn, is het totale vermogen dus met de helft gereduceerd.

Om de massatraagheid van de spiegel te beperken, zijn de relatief zware motormagneten aan het frame bevestigd. Alleen de veel lichtere spoelen zitten vast aan de spiegel. De spoelbedrading is via 20 µm dikke straps van een koper-berylliumlegering verbonden met de spiegel. Die legering combineert goede elektrische geleiding met een hoge weerstand tegen mechanische vermoeiing. De zeer dunne straps leveren een verwaarloosbare bijdrage aan het dynamisch gedrag van de spiegel.

Er zijn twee inductieve lineair variabele differentiaaltransformatoren (LVDT‘s, 4) aanwezig om de positie van de spiegel te bepalen. Slechts één daarvan is actief; de andere neemt het over mocht de eerste ophouden te functioneren. De LVDT-sensoren zijn geschikt voor deze toepassing vanwege de hoge meetresolutie en omdat ze contactloos kunnen meten. Bij rotatie van de spiegel beweegt een ijzeren kern, verbonden met de spiegel, door het hart van drie naast elkaar geplaatste en aan het frame bevestigde spoelen. De middelste primaire spoel genereert een wisselend magnetisch veld, wat in de twee buitenste secundaire spoelen een elektrische wisselspanning opwekt. Wanneer de spiegel en dus ook de ijzeren kern van positie verandert, verandert de koppeling van het magnetische veld naar de beide spoelen en daarmee de amplitude van de opgewekte spanning. Dit principe wordt gebruikt om nauwkeurig de spiegelpositie te bepalen. Het mechanisme is zo ontworpen dat differentiële krimp van verschillende componenten tijdens het koelen kan worden opgevangen. Vooral in de sensoren, waar veel verschillende materialen in een compact ontwerp bij elkaar zijn gebracht, is dit belangrijk.

De Amerikaanse firma C-Flex heeft de pivots voor onze toepassing geoptimaliseerd. Zowel de motoren als de sensoren hebben we bij SRon ontwikkeld. Hierdoor hebben we het gehele productie- en assemblageproces zelf in de hand en hebben we een volledig beeld van de gebruikte materialen en verbindingstechnieken. Dit komt ten goede aan de betrouwbaarheid van deze componenten. We zijn inmiddels over de helft van de Hifi-missie en het instrument werkt voorbeeldig. Het choppermechanisme functioneert keurig binnen de gestelde specificaties.

2020

Een algemene trend in de ontwikkeling van choppermechanismen voor telescopen zijn de steeds hogere prestatie-eisen. Steeds kortere choptijden en hogere stabiliteit tijdens observaties zijn noodzakelijk om te blijven voldoen aan de vraag van astronomen naar waarnemingen van nog hogere kwaliteit. Een voorbeeld hiervan is de chopper voor de mid-infrared E-ELT imager and spectrograph (Metis) waar SRon momenteel aan werkt. Metis is een van de kandidaat-instrumenten voor de European Extremely Large Telescope (E-ELT). Deze telescoop, met een geplande spiegeldiameter van 39,3 meter, moet rond 2020 gereed zijn.

Een belangrijke driver voor Metis is de studie naar planeten buiten ons eigen zonnestelsel. Door gebruik te maken van de waarneemtechniek coronagrafie kunnen deze exoplaneten worden bestudeerd. Bij deze manier van waarnemen is stabiliteit van de optiek van cruciaal belang. Voor het Metis-choppermechanisme betekent dit een hoekstabiliteitseis van 0,0001 graden en een choptijd van 5 ms. Bovendien moeten we de mogelijkheid inbouwen om de spiegel in twee richtingen te kunnen choppen.

Om aan deze eisen te voldoen, is een apart ontwikkelprogramma opgestart en wordt er vanaf de allereerste fase van het project nauw samengewerkt tussen de verschillende disciplines. Onder leiding van astronomieonderzoeksschool Nova en in samenwerking met Astron, Janssen Precision Engineering, de Rijksuniversiteit Groningen en TNO werkt SRon aan een prototype chopper om in een vroeg stadium van het Metis-project de haalbaarheid van dit mechanisme aan te tonen. Hierbij wordt niet alleen het ontwerp verder geoptimaliseerd maar kijken we ook naar de mogelijkheden om met geavanceerde controletechnieken de performance van het mechanisme verder te verbeteren.