Kompakte und robuste Steckverbinder entscheidend für die neueste GAUSS CubeSat-Bereitstellungsmission

Der finanzielle Aufwand, einen Satelliten in die Umlaufbahn zu bringen, hat viele kleine Organisationen daran gehindert, sich an der Raumfahrtindustrie zu beteiligen. Der Transport mehrerer Satelliten auf derselben Rakete – oder Ride-Sharing – (gemeinsame Nutzung) macht es jedoch für akademische Institute und KMU viel bequemer und erschwinglicher, ihre Hardware in den Weltraum zu schicken. Damit muss der Raumfahrtsektor nicht mehr nur großen Raumfahrtkonsortien vorbehalten sein.

Eines der Unternehmen, das Space Sharing durchführt, ist GAUSS Srl (Group of Astrodynamics for the Use of Space Systems). GAUSS mit Sitz in Italien ist aus der School of Aerospace Engineering der Universität Sapienza in Rom hervorgegangen und widmet sich seit den 1990er Jahren der Entwicklung von Mikrosatelliten und bedient seit 2012 die Raumfahrtindustrie als privates Unternehmen mit Technologie eigene, ursprünglich an der Universität entwickelte, sowie eigene technische Durchbrüche. Neben dem Design und der Produktion von Mikrosatellitenhardware ist es auch für die Missionsanalyse für Low Earth Orbit (LEO), Geostationary Orbit (GEO) und interplanetare Missionen sowie verschiedene Bodenverfolgungsoperationen verantwortlich.

Eines der Hauptziele von GAUSS ist es, die finanziellen Investitionen zu reduzieren, die akademische Institute und kleine Unternehmen tätigen müssen, um sich an weltraumbezogenen Projekten zu beteiligen. Dies veranlasste das Unternehmen, 2013 die UNISAT-Plattform einzuführen, die eine Wende darstellte. UNISAT stellte ein Novum in der Branche dar, da es erlaubte, Satelliten von Drittanbietern in die Umlaufbahn zu bringen. In den folgenden Jahren wurden mehrere verschiedene UNISAT-Einheiten in die Umlaufbahn gebracht, von denen jede anschließend eine Reihe von CubeSats und PocketQubes für wissenschaftliche Forschung und Bildungszwecke einsetzte.

Diese Form der „Fahrgemeinschaft“ hat es bequemer und erschwinglicher gemacht, Hardware in den Raum zu stellen, mit Kosteneinsparungen von 30-35 % im Vergleich zu anderen Produkteinführungen. Neben einem attraktiveren Preis müssen sich akademische Institute nicht um die Vorbereitung der gesamten Dokumentation für die Startagentur oder den Kauf eines eigenen Bereitstellungsmechanismus kümmern, da GAUSS sich um all dies kümmert. Sie haben auch eine bessere Kontrolle über den Startzeitpunkt, die Ausrichtung und die Verfolgung ihres Pico-/Nano-Satelliten nach dem Start, mit präziser und sicherer Platzierung jedes Elements in einem Solar Synchronous Orbit (SSO).

Mit ihrem neuesten UNISAT-Projekt, UNISAT-7, wollte das Ingenieurteam von GAUSS das Konzept auf die nächste Stufe heben. Sie mussten die Nutzlastkapazität erhöhen, um mehr Spikes und Nanosatelliten in den Weltraum transportieren zu können und mehr Platz für zusätzliche experimentelle Instrumente zu schaffen. Der Erfolg von UNISAT-7 hing davon ab, den Bau so einfach wie möglich zu gestalten, da dies es ihnen ermöglichen würde, die Nutzlast zu erhöhen.

Das UNISAT-7-Raumschiff musste sehr kompakt sein, mit Abmessungen von nur 50 mm x 50 mm x 50 mm. Es hätte eine Gesamtstartmasse von 32 kg, von denen 15 kg für die Nutzlast verwendet würden, die es in den Weltraum tragen sollte. Daher ist es wichtig, das Gewicht der gesamten Hardware gering zu halten. Um dies zu erreichen, wurde es mit einem wabenförmigen Aluminiumrahmen in Flugzeugqualität mit Kohlefaserhäuten gebaut. An der Außenseite wurden an der Karosserie montierte Solarzellen hinzugefügt, um die gesamte benötigte Energie bereitzustellen.

Um die Entwicklungszeit zu verkürzen, verwendeten die GAUSS-Ingenieure wann immer möglich handelsübliche Komponenten. Ergänzt wurden diese Komponenten durch den Einsatz von Open-Source-Hardware, die speziell für raue Weltraumumgebungen modifiziert wurde.

Da UNISAT-7 für einen Zeitraum von ca. 3 bis 5 Jahren in Betrieb sein sollte, mussten alle Komponenten einen Langzeitbetrieb unterstützen. Daher war kontinuierliche Zuverlässigkeit unerlässlich. Darüber hinaus mussten diese Komponenten während des Starts sehr widerstandsfähig gegen Stöße und Vibrationen sein. Neben den bereits erwähnten Nutzlastanforderungen mussten sie auch kompakt und leicht sein, da der verfügbare Platz sehr gering war.

Bei der Auswahl der Konnektoren, die in UNISAT-7 integriert werden sollten, war es notwendig, alle Attribute abzudecken, die wir gerade angegeben haben. Nachdem sie Produkte verschiedener Anbieter in Betracht gezogen hatten, wurde den GAUSS-Ingenieuren klar, dass die Datamate-Serie von Harwin ihre Verbindungsanforderungen am besten erfüllte. Diese hochzuverlässigen (Hi-Rel) Steckverbinder würden sowohl für die Daten- als auch für die Leistungsübertragung verwendet. Integriert in die für die Telemetrie erforderlichen Funkkommunikationsmodule waren der Bordcomputer (OBC), die Power Conditioning and Distribution Unit (PCDU), das Electronic Power System (EPS), der Türmechanismuseinsatz usw

Die Datamate- und Datamate Mix-Tek-Steckverbinder von Harwin eignen sich gut für den Einsatz in Weltraumanwendungen und haben eine lange Geschichte in diesem Bereich. Mit einem kleinen Footprint nehmen diese Komponenten mit 2 mm Rastermaß nur minimalen Platz auf der Platine ein. Sie wurden auf 20-G-Vibrationen und 100-G-Stöße getestet und halten den extremen Bedingungen beim Start stand, wobei die 4-Finger-Beryllium-Kupfer-Kontakte immer in der Lage sind, eine Verbindung zu den Kontaktflächen aufrechtzuerhalten. Die Kontakte der standardmäßigen Datamate-Einheiten haben eine Stromkapazität von 3 A, während die Datamate Mix-Tek-Kontakte bis zu 40 A Strom liefern können. Die Fähigkeit, Temperaturen bis zu 125 °C zu widerstehen, sowie ein geringes Ausgasungsverhalten sind ebenfalls sehr vorteilhaft. Es gibt verschiedene Verriegelungsmechanismen, um das Halten der Verbindung sicherzustellen.

„Sowohl in Bezug auf Kosten als auch Logistik hat unsere UNISAT-Plattform echte Vorteile gegenüber herkömmlichen Startmethoden für Missionen mit nur begrenzten Ressourcen und begrenztem Budget“, erklärte Riccardo Di Roberto, Leiter der UNISAT-7-Entwicklung bei GAUSS. „Aber um sicherzustellen, dass unsere Missionen erfolgreich sind, brauchen wir Zugang zu leistungsstarker und robuster Technologie. Nachdem wir viele verschiedene Möglichkeiten in Betracht gezogen hatten, schien uns klar, dass die Spezifizierung von Harwin Datamate-Steckverbindern viele unserer Probleme löste. Diese Komponenten boten uns eine garantierte Konnektivität und konnten die auftretenden unflexiblen Bedingungen bewältigen. Infolgedessen erscheinen sie in fast allen UNISAT-7-Subsystemen.'

„Durch die Recherche der möglichen Optionen konnten wir viele nützliche Informationen auf der Harwin-Website erhalten, die uns dabei halfen, die beste Option für unsere speziellen Anforderungen zu finden“, fügt er hinzu. „Die von uns angeforderten Muster wurden schnell erhalten, sodass wir fast sofort mit der Prototypenerstellung beginnen konnten. Im Verlauf der Entwicklungsarbeit konnten wir auch nützliche technische Ratschläge von der technischen Abteilung von Harwin einholen."

UNISAT-7 wurde am 2. März 1 mit dem russischen Raumschiff Sojus-22-2021a vom Startzentrum Baikonur in Kasachstan ins All geschickt. Sobald sie sich im Orbit befanden, wurden die beiden CubeSats und die drei PocketQubes, die sie trugen (mit Größen von 1/3U bis 1U und 1P bis 6P), erfolgreich eingesetzt und von ihren jeweiligen Besitzern empfangen. Diese werden nun eine Vielzahl unterschiedlicher wissenschaftlicher Aufgaben erfüllen, darunter HF- und multispektrale Strahlungsanalyse, Validierung von photovoltaischen und elektronischen Geräten im Weltraum usw. UNISAT-7 wird nicht nur als Bereitstellungssystem für Pico-/Nanosatelliten im Orbit fungieren, sondern auch für die Erforschung von Weltraumschrott und für Testarbeiten vor Ort eingesetzt.

GAUSS leistet derzeit Vorarbeiten für UNISAT-8, außerdem entwickelt das Unternehmen Hardware für verschiedene zukünftige interplanetare Missionen. Das Team ist zuversichtlich, dass diese Projekte ihnen die Gelegenheit bieten werden, in Kürze wieder mit Harwin zusammenzuarbeiten.

Von Eneko Ansoleaga, BDM, Südeuropa, Harwin