Vibrationsmessungen und Modalanalyse an Komponenten von Weltraumteleskopen

Die Europäische Südsternwarte ist eine 1962 gegründete zwischenstaatliche Organisation, die von 16 Mitgliedstaaten getragen wird – Österreich, Belgien, Tschechische Republik, Dänemark, Finnland, Frankreich, Deutschland, Irland, Italien, Niederlande, Polen, Portugal, Spanien, Schweden, Schweiz, und das Vereinigte Königreich, Chile und strategische Partner. Der Hauptsitz von ESO befindet sich in Garching in der Nähe von München in Deutschland, aber ESO vereint über 750 Mitarbeiter aus mehr als 30 Ländern und unzählige weitere Mitarbeiter weltweit, um mehr als 22.000 Benutzern aus über 130 verschiedenen Ländern Technologien und Daten zur Verfügung zu stellen.

Für die ESO und das ELT hat Dewesoft spezifische Messdatenerfassungs- und Messdatenauswerteroutinen für die Vibrationsanalyse aktiver Komponenten wie Pumpen, Lüftern und Modalanalyse von Spiegelunterstützen umgesetzt. Die angewendeten Methoden wurden von einer interdisziplinären Gruppe­von Ingenieuren und Technikern der ESO aus den Bereichen Regelungstechnik, Mechanik und Strukturmechanik entwickelt.

Hardware

• 1x SIRIUSie - 8 Kanal - isolierter SIRIUS High-speed EtherCAT Slice

• 1x DS-IS-20 - 20 N Inertialshaker mit externem Verstärker

• 1x DS-IS-IS-10 - 10 N Inertialshaker mit externem Verstärker

• Mehrachsige Beschleunigungsaufnehmer

• Impulshammer

Software

• DewesoftX - Messdatenerfassungssoftware

• DEWESOFT-OPT-MODAL-TEST - Modaltest (Frequenzgangfunktion)

• DEWESOFT-PLUGIN-MODAL-ANALYSIS - Modalanalyse plugin

• DEWESOFT-OPT-FFT-ANALYSER - Dewesoft FFT Analyzer option / Frequenzbereich

• DEWESOFT-OPT-C++-SCRIPT - Dewesoft C++ Script  

• DEWESOFT-OPT-FG-MUL - Multikanal Funktionsgenerator

Grundlage für die messtechnische Analyse der realen Bauteile sind die Berechnungen des Schwingverhaltens mittels finiter Elementmethode (FEM). Sowohl für die Vibrationsmessungen als auch für die Modalanalyse hat die Arbeitsgruppe die jeweilige Aufgabenstellung zunächst anhand eines dynamischen Theorie-Modells untersucht und daraus eine Mess-strategie abgeleitet. Vor den eigentlichen Messungen wurde dann von Strukturmechanikern das jeweils zu ­erwartende Systemverhalten simuliert und darauf aufbauend Richtwerte und Bauteiltoleranzen definiert.

Störungsfreier Blick bis zum Rand des sichtbaren Universums

Das ELT wird künftig für die europäische Spitzenforschung auf dem Gebiet der Astronomie genutzt. Schauplatz ist der Cerro Armazones – ein 3.060 Meter hoher Berg in der chilenischen Atacama-Wüste. Das Riesenteleskop soll helfen, viele der ungelösten Fragen über das Universum zu beantworten. Mit seinem Hauptspiegel – der einen Durchmesser von 39 Metern hat und aus 798 sechseckigen Spiegelelementen besteht – kann es 13-mal mehr Licht sammeln als die größten heute existierenden optischen Teleskope. Es wird Bilder liefern, die 16-mal schärfer sind als die des Hubble-Weltraumteleskops

Aus Forschungssicht wird es Studien zu einem breiten Themenspektrum von der Grundlagenphysik bis zur Kosmologie unterstützen. Das Teleskop wird unser Sonnensystem sowie extrasolare Planeten, nahe Galaxien oder entfernte Objekte an den Rändern des sichtbaren Universums beobachten. Als modernes Hochleistungsteleskop beobachtet es den Weltraum im sichtbaren und infraroten Frequenzspektrum, in dem schon kleinste Bewegungen der Teleskopkomponenten stören. Bereits Bewegungen im Bereich von wenigen Nanometern können einen großen Einfluss auf die Beobachtungs- und Bildqualität haben. Daher werden sehr hohe Qualitätsanforderungen an die ELT-Mechanik und -Komponenten gestellt.

Präventive Analysen

Die Dewesoft-Messtechnik ermöglicht es, an Prototypen oder Endprodukten mögliche Störgrößen – ihre Ursachen und Auswirkungen – projektbegleitend und noch vor der Montage der Komponenten im ELT zu überprüfen. Der Hintergrund für das frühe Testen ist, dass insbesondere in Großteleskopen die Zahl der kri­tischen Komponenten, die durch ein mögliches Fehlverhalten zu einer Leistungsreduktion führen könnten, sehr hoch ist. Zudem können spezielle Tests im eingebauten Zustand durch die Komplexität der Anlage oftmals nicht oder zumindest nicht ohne Weiteres durchgeführt werden. Schließlich würden spätere Nachbesserungen schon wegen der Zahl der Komponenten zu enormen Verzögerungen der Inbetriebnahme führen.

Vibratiosmessung: Eingeleitete Kräfte indirekt erfassen

Aktive Komponenten wie Pumpen oder Lüfter können dynamische Kräfte verursachen, die in der Gesamt­anlage Schwingungen und Vibrationen auslösen und die Beobachtungsgüte des ELT beeinträchtigen. Zur Messung dieser Kräfte hat die Firma Dewesoft entsprechende Testanordnungen mit genau defi­nierten Randbedingungen entwickelt und aufgebaut. Die ­Messung der Kräfte erfolgt nach dem Prinzip der schweren Masse.

Für diesen Test haben die Ingenieure und Techniker das Testsystem inklusive eventuell vorgesehener Dämpfungselemente auf einen schweren optischen Tisch montiert, dessen Eigenschaften in Bezug auf Masse, Steifigkeit und Verformungsmodi bekannt sind. Aufgrund des großen Gewichts des Tisches, der durch geregelte Luftfedern in der Schwebe gehalten wird, werden Koppelschwingungen zwischen Prüfling und Tisch minimiert – und dabei das Testsystem gleichzeitig auch von Vibrationen des Bodens entkoppelt. Kräfte führen in dieser Testanordnung zu Beschleunigungen des Tisches. Diese Beschleunigungen werden ­erfasst und gezielt gemessen, so dass die Messsoftware daraus auf die tatsächlich eingeleiteten Kräfte zurückrechnen kann. Die Vibrationsmessung auf Komponentenebene ermöglicht es auf diese Weise, erforderliche Nachbesserungen schon frühzeitig zu erkennen – und nicht erst in der ­Gesamtanlage, wenn alle Komponenten verbaut und für Messungen und Korrekturarbeiten unter Umständen sehr schwer zugänglich sind.

Qualitätsprüfung einfach und effizient

Jedes der 798 sechseckigen Spiegelelemente, die den großen Hauptspiegel des ELT bilden, ist auf sogenannten kinematischen Spiegelunterstützen montiert. Das Verhalten dieses Mechanismus – er dient zum Heben und Verstellen der sehr starren Elemente – galt es durch eine Modalanalyse dynamisch zu beschreiben und zu charakterisieren.

Der Vergleich des berechneten und ­simulierten Verhaltens bei Anregung mit der gemes­senen Modalantwort erlaubt es, Rückschlüsse auf ­Montagefehler oder Beschädigungen von Strukturteilen zu ziehen – lange bevor die Spiegelelemente montiert werden, das Teleskop in Betrieb geht und sich diese Fehler auf die Beobachtungen auswirken könnten.

Um für die Modalanalyse und die Bestimmung möglicher Festkörperbewegungen des Spiegels stabile Randbedingungen zu schaffen, wurde zunächst eine sehr steife Unterstützungsstruktur entworfen und gebaut, die auf einem schweren Betonboden verankert wurde. An der jeweils zu testenden Spiegelunterstützung wurden mehrere Mehrachs-Beschleunigungssensoren montiert. Mit Hilfe eines Shakers wird das Testobjekt angeregt – wobei sowohl der Ort als auch die Richtung der Anregung variiert werden.

In der Auswerteeinheit des Testaufbaus werden die Schwingungen überlagert und hinsichtlich Stärke, Phase und Kohärenz ausge­wertet. Außerdem errechnet und visualisiert das verwendete Messsystem von Dewesoft die Spiegelunterstützung als 3D-Modalform. Die Darstellung auf dem Display wurde auf die typischen Anforderungen dieser Modalanalyse angepasst, wodurch man sehr schnell die Qualität und Validität der Messung erkennen kann.

Auf diese Weise ermöglicht die automatisierte Modalanalyse eine einfache und zugleich effiziente Qualitätsprüfung der Spiegelunterstützungen noch vor der Montage im Teleskop – eine zuverlässige Kontrolle der komplexen und tausendfach verbauten Komponenten. Dies zahlt sich schnell aus, da verdeckte Fehler wie ­fehlerhafte Schraubverbindungen oder beschädigte Teile früh und zuverlässig erkannt werden.

Fazit

Sowohl bei der Vibrations- als auch bei der Modalanalyse erreichen die Lösungen von Dewesoft eine sehr gute Übereinstimmung von Simulationen und Messungen. Möglich machen dies die theoretischen Überlegungen im Vorfeld, die sorgfältigen Vorbereitungen der Versuchsaufbauten sowie die hohe Qualität und Genauigkeit der Messsysteme. Zudem sind die messtechnischen Methoden nicht nur auf das ELT beschränkt, sondern finden auch in anderen Bereichen von Forschung und Entwicklung ein breites Anwendungsfeld. So ist insbesondere die Messung der eingeleiteten Kräfte für viele Anwendungen interessant, in denen sensitive Anlagenteile, unabhängig von ihrer Einbauumgebung getestet werden. Ein Beispiel ist die Dimensionierung und Effizienzmessung von Dämpfungselementen oder Lüfteraufhängungen. Für Modalanalysen dieser Art eröffnet sich ein breites Einsatzspektrum, weil ihre Anwendung durch neue Softwaremodule von Dewesoft wesentlich flexibler geworden ist.