CCO Kompetenzzentrum Optik

DIE NEUE THERMO-OPTISCHE TESTANLAGE DER IABG - EINE IN EUROPA EINZIGARTIGE EINRICHTUNG

HERSTELLERUNABHÄNGIGES KOMPETENZZENTRUM FÜR DIE DURCHFÜHRUNG VON ENTWICKLUNGS- UND QUALIFIKATIONSTESTS AN ERDBEOBACHTUNGSSATELLITEN UND ELEKTRO-OPTISCHEN SYSTEMEN

STRATEGISCHE BEDEUTUNG FÜR DIE UNTERSTÜTZUNG VON PROJEKTEN ZUM WISSENSCHAFTLICHEN UMWELTMONITORING BIS HIN ZU SICHERHEITSRELEVANTEN PROGRAMMEN

CCO Übersicht

Weltklasse-Testanlage für die Entwicklung und Qualifizierung von optischen Systemen und Komponenten

An die künftigen weltraumgestützten Erdbeobachtungs- und Aufklärungssysteme mit optischen Nutzlasten werden immer höhere Anforderungen gestellt. Infolgedessen werden auch Testeinrichtungen mit fortschrittlichen technischen Möglichkeiten, z. B. für die Kalibrierung großer optischer Systeme, erforderlich.

Deshalb errichtet die IABG das Kompetenzzentrum Optik (CCO, Competence Centre Optics) für die Qualifizierung, Kalibrierung und Funktionsprüfung von elektrooptischen Systemen, Subsystemen, Instrumenten und Komponenten unter Umgebungs- oder Weltraumbedingungen innerhalb einer Thermalvakuumkammer.

Das CCO besteht aus den folgenden Hauptelementen:

CCO-Infrastruktur als eigenständiger Komplex mit speziellen ISO 8- und ISO 5-Reinräumen, Kontrollräumen, Büros, Besprechungsräumen, Lager- und Logistikeinrichtungen. Ein direkter Zugang zum bestehenden Raumfahrttestzentrum und dessen Testeinrichtungen und Infrastruktur ist vorhanden
Modular aufgebaute TV-Kammer mit einem nutzbaren Durchmesser von 5 m und einer Länge von bis zu 14 m
Große ISO 5-Reinräume an beiden Enden der TV-Kammer
Schwingungsentkoppelte optische Bank in der TV-Kammer und den ISO-5-Räumen
Optical Ground Support Equipment (OGSE) für die Charakterisierung von optischen Systemen
(z.B. 2 Flachspiegelbaugruppen FMA, 2 Kollimator-Spiegel-Baugruppen CMA und 2 Kollimator-Quellen-Baugruppen CSA)

Ergänzend zur Bereitstellung und zum Betrieb der CCO-Infrastruktur, der Thermalvakuumkammer und des OGSE bringt die IABG Know-how zur Kalibrierung und Verifikation optischer Nutzlastsysteme durch den Aufbau eines Teams von Optik-Spezialisten ein. Dieses Team ist verantwortlich für die Vorbereitung und den Betrieb des OGSE während der Tests und unterstützt den Kunden auch in allgemeinen Fragen zu optischen Vermessungen und der Auslegung von Testsetups.

CCO Infrastruktur

Das CCO ist eine Erweiterung der bereits bestehenden Einrichtungen des Raumfahrttestzentrums.

Dennoch ist das CCO als völlig unabhängige Testinfrastruktur konzipiert, die alle erforderlichen Einrichtungen unter einem Dach vereint.

Die Verbindung zwischen dem CCO und dem Raumfahrttestzentrum wird über das bestehende Hauptladetor realisiert.

Der Transfer von Hardware und Komponenten zwischen dem CCO und dem Raumfahrttestzentrum ist unter Einhaltung der ISO 8-Reinheitsbedingungen und mit minimalen Einflüssen auf die Testkampagnen möglich.

Das CCO verfügt über eine ISO 8-Testhalle und ISO 5-Bereiche an beiden Enden der TV-Kammer.

Während ein ISO 5-Bereich für die Vorbereitung des OGSE-Aufbaus genutzt werden kann, steht der zweite ISO 5-Bereich dem Kunden für die Vorbereitung des Prüflings vor der anschließenden Installation in der Kammer zur Verfügung.

Die modulare TV-Kammer mit optischer Bank befindet sich zwischen den beiden ISO 5-Bereichen.

Mit direktem Zugang zur Testhalle stehen den Testteams im CCO-Gebäude Kontrollräume, Büroräume und Besprechungsräume zur Verfügung.

Das IABG Raumfahrttestzentrum

hat mehr als 55 Jahre Erfahrung im Testen von Raumfahrt-Hardware
hat einen erstklassigen Ruf bei Kunden weltweit
betreibt eine Vielzahl von Einrichtungen für Umwelttestkampagnen, von kleinen Komponenten bis hin zu großen Satellitensystemen für zivile, wissenschaftliche und militärische Projekte
hat Erfahrung in der Beratung zu Aspekten des Qualitätsmanagements sowie der Definition und Realisierung von Testeinrichtungen und Programmunterstützung.

Als eigenständiges Unternehmen ist die IABG völlig unabhängig von Hardware-Herstellern und Agenturen, somit gänzlich objektiv, neutral und frei in ihren Entscheidungen.

Bereiche

Der zentrale Bereich ist die ISO 8-Testhalle, in der sich die Thermalvakuumkammer befindet. Der Süden des Gebäudes ist mit der Luftschleuse, dem Transportgang und dem ISO 8-Lagerbereich ausgestattet. Im östlichen Teil des Gebäudes befinden sich die Kontrollräume (checkout rooms), eine Materialschleuse und der ISO 8-Umkleideraum.

Hauptladetor - Das Tor verbindet das Raumfahrttestzentrum mit dem CCO-Gebäude, so dass die Kräne des jeweiligen Transportganges beide Einrichtungen durchfahren können.

Luftschleuse - Über die Luftschleuse gelangen die Prüflinge in das CCO. In diesem Bereich werden die Container gereinigt und für die Aufnahme in den Transportgang vorbereitet.

Transportgang - Das Bindeglied zwischen der Luftschleuse und der Testhalle ist der Transportgang. In diesem Bereich gelten ISO 8-Bedingungen. Zudem ist ein Kran vorhanden.

ISO 8-Lager - Im ISO 8-Lager können empfindliche Container gelagert werden. Da dieser Bereich komplett unter ISO 8-Bedingungen betrieben wird, kann er darüber hinaus als zusätzlicher Testvorbereitungsbereich genutzt werden. Er gestattet auch den Zugang zum Unterflurlager und zur globalen Dichtheitsprüfkammer.

ISO 8-Testhalle - Zentraler Bereich des CCO. Die Testhalle verfügt über ISO 8-Bedingungen und beherbergt die Thermalvakuumkammer. An jedem Ende der Thermalvakuumkammer befindet sich ein ISO 5-Bereich.

ISO 5-Bereich Nord - An der nördlichen Öffnung der Thermalvakuumkammer befindet sich ein ISO 5-Reinraum. Der ISO 5-Bereich Nord ist für die vorbereitenden Arbeiten an den Prüflingen durch die Kunden vorgesehen.

Der Zugang zu diesem ISO 5-Reinraum erfolgt direkt vom CCO-Bürobereich aus. Der ISO 5-Bereich Nord hat eine eigene Materialschleuse zur ISO 8-Testhalle zum Einschleusen von Prüflingen.

ISO 5-Bereich Süd - An der südlichen Öffnung der Thermalvakuumkammer befindet sich ein weiterer ISO 5-Reinraum. Der ISO 5-Bereich Süd ist für die vorbereitenden Arbeiten der IABG am OGSE vorgesehen, kann aber auch den Kunden zur Verfügung gestellt werden, wenn das OGSE für die Tests von den Kunden bereitgestellt wird.

ISO 8 Umkleideraum - Im Ostflügel des Gebäudes befindet sich die ISO 8 Personenschleuse.

ISO 5 Umkleideraum Nord - Verbindet die Büroetagen mit dem ISO 5-Bereich Nord. Er
bietet zwei getrennte Umkleidekabinen.

ISO 5 Umkleideraum Süd - Verbindet die ISO 8-Testhalle mit dem ISO 5-Bereich Süd. Er verfügt über eine Umkleidekabine.

Kontrollräume/Checkout Rooms - Für die Installation und den Betrieb von Kunden-OGSE stehen neben der Testhalle zwei Kontrollräume zur Verfügung.

Büros – Das CCO bietet den Testteams eine große Zahl von Büros und Besprechungsräumen. Die entsprechenden Gesellschaftsräume und Küchen befinden sich in unmittelbarer Nähe dazu.

CCO Thermalvakuumkammer

Die Thermalvakuumkammer ist das Herzstück des CCO. Die Anlage ist auf Basis eines modularen Konzepts mit zwei TV-Kammerelementen konzipiert. Während der nutzbare Durchmesser der TV-Kammer stets 5 m beträgt, hängt die Länge der TV-Kammer von der Konfiguration der Anlage ab.

Es sind zwei Anlagenkonfigurationen möglich

Die erste Konfiguration, bei der beide TV-Kammerbehälter miteinander verbunden sind, bietet eine TV-Kammerlänge von 14 m. Diese Konfiguration wird verwendet, wenn das OGSE innerhalb der TV-Kammer platziert wird. Eine thermische Trennwand mit einer verschließbaren Öffnung ist verfügbar, um beide Testumgebungen voneinander zu trennen.
Die zweite Konfiguration mit nur einem TV-Kammerelement. Bei dieser Konfiguration kann das OGSE des Kunden außerhalb der TV-Kammer trotz räumlicher Trennung auf derselben optischen Bank wie der Prüfling in der Kammer platziert werden. Eine projektspezifische Dunkelkammer kann zwischen dem ISO 5-Bereich Süd und der TV-Kammer eingerichtet werden.

Die Optische Bank befindet sich bei beiden Konfigurationen unter der kompletten TV-Kammer und ragt in jeden der ISO 5-Bereiche hinein.

TV-Kammer

Die beiden TV-Kammerelemente sind innen mit Thermalwänden (Shrouds) ausgestattet. Jedes der beiden Elemente enthält fünf individuell steuerbare Shrouds. Dadurch kann eine hochstabile thermische Umgebung in jedem der TV-Kammerelemente realisiert werden, wobei es möglich ist, die Shrouds bei unterschiedlichen Temperaturen zu betreiben. Ergänzt wird die TV-Kammer durch zwei ISO 5-Bereiche, einer an jedem Ende der Kammer. Während ein Bereich für die Prüflingsvorbereitung und -einrichtung vorgesehen ist, kann der andere Bereich für die OGSE-Vorbereitung genutzt werden.

Die TV-Kammer ist mit dem Hallenboden des Gebäudes verbunden und überspannt die gefederte Masse der optischen Bank. TV-Kammer und optische Bank sind jedoch voneinander schwingungsentkoppelt.

Optische Bank • Entkopplung, Fundament und Infrastuktur

Im Boden der ISO 8-Testhalle sind insgesamt zwei gefederte Massen integriert. Sie gewährleisten die Entkopplung von Schwingungen nach VDI 2038 VC-E. Oberhalb der ersten gefederten Masse (Optical Bench Installation 1, OBI 1) befindet sich die existierende TV-Kammer. Darüber hinaus ist eine zweite gefederte Masse (OBI 2) im Gebäude vorhanden, die für eine spätere Nutzung vorgesehen ist.

Die OBI 1 besteht aus

dem entkoppelten monolithischen Fundament
der T-förmig gefederten Masse, die durch das Isolationssystem (Luftfedern) gestützt wird
einem Montageraster
den Hauptstützen, welche die quasi-isostatisch gelagerten optischen Banksegmente tragen
Hauptstützen durch die TV-Kammer, die mit vakuumdichten Durchführungen versehen sind.

Hauptkomponenten • TV-Kammer und OBI

OBI 1 mit monolithischem Fundament, T-förmig gefederter Masse mit Luftfedern, optischer Bank und TV-Kammer.

Die optischen Banksegmente haben eine Nutzfläche von jeweils 2,6 m x 6,8 m mit einem Montageraster von 80 mm x 80 mm. Die maximale Traglast (Prüfling plus Ausrüstung) beträgt 6.000 kg.

CCO • Optical Ground Support Equipment (OGSE)

Das Optical Ground Support Equipment (OGSE) der IABG besteht aus dem primären OGSE für die Charakterisierung der zu testenden optischen Systeme und dem sekundären OGSE für die Ausrichtung und Überwachung des OGSE und des zu testenden Prüflings.

Es sind verschiedene Testkonfigurationen und Anwendungen möglich:

Für die Charakterisierung optischer Instrumente mit großen Aperturen muss das OGSE innerhalb der TV-Kammer aufgestellt werden, um Umgebungsstörungen, z.B. durch optische Fenster oder Umgebungsbedingungen zu minimieren. Die Reinheitsanforderungen nach ISO 5 werden eingehalten. Das OGSE wird im CCO durch die IABG bereitgestellt. Beide TV-Kammerelemente sind hierfür miteinander verbunden (lange Konfiguration).
Für die Charakterisierung von optischen Instrumenten mit kleinen Aperturen, z. B. Spektrometern, wird die Kammer in einer anderen Konfiguration betrieben und das OGSE kann außerhalb der TV-Kammer vor dem Kammerdeckel auf der gleichen optischen Bank installiert werden. Es kann sowohl das IABG-eigene als auch das vom Kunden verfügbare OGSE verwendet werden. Zwischen dem ISO 5-Bereich Süd und dem Kammerdeckel kann eine Dunkelkammer zum Betrieb des OGSE installiert werden. Die TV-Kammer wird mit einem geeigneten optischen Fenster ausgestattet, um eine gute Sicht auf den Prüfling im Inneren der Kammer zu gewährleisten.
Die Charakterisierung der optischen Leistungsfähigkeit ist unter Umgebungs- oder Vakuumbedingungen möglich, wobei die Reinheitsanforderungen nach ISO 5 eingehalten werden. Mögliche Anwendungsfälle sind u.a. optische Komponenten größerer optischer Systeme oder optische Systeme ohne Detektoren, z. B. Primärspiegel von Teleskopen.

Hauptkomponenten - Primäres OGSE

Das primäre OGSE besteht aus:

Zwei Kollimatorspiegelbaugruppen (Collimator Mirror Assemblies, CMA) mit großem Aperturdurchmesser von 1,5 m
Zwei Flachspiegelbaugruppen (Flat Mirror Assemblies, FMA) mit einem Aperturdurchmesser von 1,45 m
Zwei Kalibrierquellenbaugruppen (Calibration Source Assemblies, CSA) zur Verwendung mit dem CMA oder als eigenständiges System

Jede OGSE-Komponente kann über die Steuereinheit, die Teil des OGSE-Elements ist, oder über das Kontroll- und Messsystem (Control and Measurement System, CMS) gesteuert werden.

Kalibrierungsquellen-Baugruppen

Die Calibration Source Assemblies, CSAs dienen sowohl der Beleuchtung als auch dem Nachweis von Strahlung und können als eigenständige Systeme oder in Kombination mit den CMAs betrieben werden. Die CSAs bestehen aus vier funktionalen Strahlengängen.

Beleuchtungsstrahlengang: Er enthält die Strahlungsquellen, die das Testtarget-Array beleuchten, welches in der Brennebene der Kollimationsoptik positioniert ist. Die Testtargets können während des Betriebs gewechselt werden, indem das Target neu positioniert wird.
Kamerastrahlengang: Er enthält die Abbildungsoptik und eine Anordnung der Brennebenen.
Wellenfrontsensor-Strahlengang: Dieser Strahlengang enthält eine variierbare Anzahl von Shack-Hartmann-Sensoren.
Referenz- und Strahlenblockpfad: Der Referenz- und Strahlenblockpfad enthält einen optischen Schalter, eine optische Fläche und Strahlungsfallen. In Kombination mit dem Kameramodul kann die CSA als Autokollimator verwendet werden, während sie in Kombination mit dem Wellenfrontsensormodul eine Referenzwellenfront erzeugt, welche die Kalibrierung des Wellenfrontsensors (TBC) ermöglicht.

Hauptkomponenten - Sekundäres OGSE

Aufgaben:

Justierung und Nivellierung von beweglichen Anlageteilen
Bereitstellung von Referenzpunkten und Referenzsystemen für die Ausrichtung des primären OGSE sowie der optischen Systeme auf der optischen Bank zueinander
Überwachung der Ausrichtung des primären OGSE sowie des optischen Systems während des Testbetriebs
Überwachung der Positionierbewegungen
Erkennung und Überwachung von thermisch-bedingten Verformungen der optischen Bank

Herausforderungen:

Einsatz unter Vakuumbedingungen
Auflösung und Genauigkeit der Messungen:
- Längenschwankungen bis zu: 5 - 20 pm
- Winkeländerungen bis zu 0,001 - 0,004 Bogensekunden

IABG-Raumfahrttestzentrum, in Betrieb seit 1965 unter Förderung des Bundesministeriums für Wissenschaft und Forschung (BMwF)

150 Mitarbeiter, bestehend aus 60 % Ingenieuren/Physikern und 40 % Technikern
Umsatz: ca. 30 Mio. € pro Jahr (2022)
Wert der Infrastruktur und Einrichtungen des Testzentrums: ca. 150 Mio. €
Kompetenzzentrum Optik (CCO) in Betrieb 2023

Zertifiziert bzw. akkreditiert nach den folgenden internationalen Normen:
ECSS-Q-ST-20-07C
EN 9100 (einschließlich ISO 9001)
ISO/IEC 17025
ISO 14001