Verbesserte Betriebssicherheit beim Raketenstart

HBM hat auf Basis von HBM-Transientenrecordern und -Digitalisierern ein Blitzschlag-Überwachungssystem für das Kennedy Space Center in Florida, USA entwickelt. Das System verbessert die Betriebssicherheit, zum Beispiel bei Raketenstarts, indem es das Risiko von Schäden durch Blitzschlag minimiert. Blitzschlag ist ein erhebliches Risiko für den Betrieb des Kennedy Space Centers, da Raumfahrzeuge besonders anfällig für Schäden durch Blitzschlag sind. Im Juli 2009 zum Beispiel wurde der Raketenabschussrampenbereich des Spaceshuttles Endeavour mindestens elfmal vom Blitz getroffen, einschließlich Einschläge in den Blitzableitermast und den Wasserturm, was zu kostspieligen Verzögerungen geführt hat, bevor der Start endlich erfolgreich durchgeführt werden konnte.

Viele Anforderungen, eine Lösung!

Launch pads 39A (vorne) and 39B (hinten) im KSC in Cape Canavaral.

Der Weltraumbahnhof Kennedy Space Center Florida ist ideal, da er sich in der Nähe des Äquators befindet. Dies bedeutet, dass durch die Erdumdrehung beim Start ein Extraschub entsteht, sodass weniger Kraftstoff benötigt wird, um den Weltraum zu erreichen. Leider ist der Start in Florida häufig eine Herausforderung, da hier der größte Blitzschlagsfaktor pro Kilometer in den USA herrscht, was den Bundesstaat zur Gegend mit den meisten Gewittern der USA macht.

Um diesen Gefahren entgegenzuwirken, benötigte das Kennedy Space Center ein Blitzschlag-Überwachungssystem, das zusammen mit einem Blitzschutzsystem eingesetzt werden kann. Beide Systeme sollten während jedes kritischen Punkts im Raumfahrzeug-Abschussprogramm wirksam sein.

Raumfahrzeuge werden in einem riesigen Gebäude montiert, der Integrationshalle. Sie werden mit Schwerlasttransportern, genannt mobile Abschussplattformen, zur Abschussrampe gebracht, wo vor dem Start letzte Vorbereitungen und Missionsprüfungen durchgeführt werden.

Ein Raumfahrzeug ist von dem Moment an, wo es aus der Integrationshalle transportiert wird, bis zu seinem Abschuss in den Weltraum anfällig für Blitzeinschläge. Während dieser Zeit ist es wichtig, eine Vielzahl von Punkten innerhalb und außerhalb des Raumfahrzeugs kontinuierlich zu überwachen, um mögliche Probleme erkennen zu können, die durch induzierte elektrische Transienten durch Blitzschlag in der Umgebung aufgetreten sein könnten.

Um dies zu erreichen, hat HBM ein System entwickelt, dass das Kennedy Space Center nutzt, um induzierte Ströme und Spannungen an ca. 120 Messpositionen zu erfassen. Durch die Überwachung einer Vielzahl von Punkten ist es möglich, Stellen zu erkennen, an denen hohe Induktionsströme auftreten, und so zu bestimmen, wo Schäden aufgetreten sein könnten.

Bei der Entwicklung des Blitzschlag-Überwachungssystems musste eine Vielzahl von Faktoren berücksichtigt werden. Das Kennedy Space Center hat eine hohe durchschnittliche Umgebungstemperatur, die häufig mehr als 32°C erreichen kann, wobei die Luftfeuchtigkeit ebenfalls sehr hoch ist. Dies bedeutet, dass jedes vorgeschlagene System sehr widerstandsfähig gegenüber Korrosion und Feuchte sein musste. Ein weiterer Faktor war das hohe Risiko von Schäden durch Schläge und Vibrationen während des Starts des Raumfahrzeugs, wodurch das System bestimmte Standard-Militärspezifikationen erfüllen musste.

Darüber hinaus wurde dringend gefordert, dass der Eingangsstrom des Senders nur Gleichstrom sein sollte. Dieses würde Batteriebetrieb ermöglichen, wodurch vollständige Isolierung erreicht werden könnte, wenn sich ein Gewitter in der Nähe befand. Es war jedoch gleichermaßen wichtig, einen DC-Ladekreis über einen ferngesteuerten Ausgangsschalter am Sender zuschalten zu können, wenn das Gewitter vorbei ist, um die Batterieladung aufrecht zu erhalten und den Betrieb kontinuierlich überwachen zu können.

Die gewählte Lösung, die alle Anforderungen des Kennedy Space Centers erfüllt, war Genesis HighSpeed von HBM mit der Software Perception, da es sich hierbei um ein hochauflösendes Datenerfassungssystem handelt, das sofort einsatzbereit ist. Es kann bis zu 64 Kanäle in einem einzigen Mainframe-Rechner mit 25 MHz Bandbreite überwachen und mit bis zu 100 MS/s aufzeichnen. Darüber hinaus kann ein Fenstertrigger von jedem Kanal aus ausgelöst werden.

Zur Ausrüstung an der Messstelle gehörten ein faseroptischer 7600-Sender mit einem Nennwert von

100 MS/s, einer Auflösung von 14 Bit und einer Bandbreite von 25 MHz. Die Sender befinden sich in einem Edelstahl-304-Gehäuse. Dasselbe Material wird auch verwendet, um den Gateway Arch in St. Louis, Missouri, USA zu schützen. Es ist nicht so anfällig gegenüber Verfärbungen und Korrosion wie normaler Edelstahl.

Glasfaserkabel wurden wegen der großen benötigten Längen (bis zu 12 km) zwischen den vielen Messpunkten ausgewählt. Die Ausstattung von HBM hat bei Längen über 800 m eine Genauigkeit von 0,1% vom Endwert, bietet automatische Kabellängenkorrektur und verhindert Zeitdifferenzen zwischen Kanälen.

Echtzeitanzeige, Steuerung, Analyse und mehr! Mit der Perception-Software von HBM

Alle Abtastpunkte sind auf IRIG- (Inter-Range Instrumentation Group) Zeitcodes synchronisiert und ermöglichen so Synchronisation und Datenkorrelation zwischen Kanälen und anderen Kennedy-Space-Center-Einrichtungen unabhängig von der Glasfaserkabellänge.

Die faseroptischen Sender wurden mit dem faseroptischen HBM-7600-Empfänger verknüpft, der bis zu vier 7600-Sender unterstützt und Monomode-Glasfaserübertragung mit 900-MS-Transientenspeicher bietet. Dieses System hat ebenfalls ermöglicht, dass einzelne Messstellen isoliert werden und getrennt vom Aufzeichnungssystem getestet werden konnten.

Durch Nutzung der Perception-Software von HBM kann das Blitzschlag-Überwachungssystem Echtzeitanzeige, Steuerung und Analyse zusammen mit einer Vielzahl weiterer Optionen zur Analyse und Überprüfung aufgezeichneter Daten bieten. Das System ermöglicht die Anzeige auf mehreren Monitoren und enthält erweiterte Berichtsfunktionen, z. B. synchronisierte Videowiedergabe. Perception lässt sich darüber hinaus in Standard-Microsoft-Office-Programme wie Word und Excel integrieren. Des Weiteren nutzt das System StatStream©-Anzeigetechnologie, mit deren Hilfe Datenmengen im Gigabyte-Bereich innerhalb von Sekunden angezeigt werden können.

Das System kann auch ein ferngesteuertes Testsignal ausgeben, um die Überprüfung des Signalpfads zu ermöglichen. Es bietet Analysefunktionen und kann automatische Berichte basierend auf jedem auftretenden Gewitter generieren.

Beim Blitzschutzsystem kommen hohe Türme zum Einsatz, die Metallkabel halten, die nahe Blitze abfangen und den Strom von der Trägerrakete weg leiten. Sie sind mit einer Reihe von Metalldrähten verbunden, die die Elektrizität weg vom Raumfahrzeug leiten. Im Testbereich werden zwei Abschussrampen geschützt. Launch Pad 39A, das für die nächste Generation von Trägerraketen entwickelt wurde, ist mit einem Turm an der Oberseite der Abschussrampe ausgestattet, und Launch Pad 39B wird mit drei 180 m hohen Türmen geschützt.

Quelle NASA picture: mediaarchive.ksc.nasa.gov/detail.cfm

Fortschrittliches Blitzschlag-Warnsystem sichert Raumfahrzeugstarts im Kennedy Space Center

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