Letzter Tankstopp vor der Erdumlaufbahn
- Bild 1: Erst auf der Rampe, unmittelbar vor dem Abschuss, erfolgt die Betankung der Raumflugkörper
Explosionsgeschütztes HMI-System für eine Satellitenbetankungsanlage
von Ingo Emde
Letzter Tankstopp vor der Erdumlaufbahn (134 kB)
Hochleistungsflüssigtreibstoffe sind es, die Satelliten bei ihrem Flug im Weltraum Vorschub geben. Das mit ihnen verbundene große Explosionsrisiko und das enorme Zerstörungspotenzial macht diese Treibstoffe am Boden derart gefährlich, dass die Betankung der Raumflugkörper erst auf der Rampe, unmittelbar vor dem Abschuss, erfolgt. Wenige Hersteller haben sich auf die dafür erforderlichen Befüllungseinrichtungen spezialisiert. Sie setzen für den sensiblen Vorgang Technik ein, die höchsten Anforderungen im Explosionsschutz genügen muss. Aus Kostengründen werden komplexe Tankanlagen zudem meist nicht auf den Weltraumbahnhöfen fest installiert, sondern reisen mit ausgebildetem Aufbau- und Bedienpersonal für jeden Einsatz an. Da die Anlagen wieder und wieder in Seecontainer verfrachtet und in alle Welt verschifft werden, muss die ver-wendete Technik auch äußerst robust ausgelegt sein, um dauerhaft die verlässliche Funktion der Anlage zu gewährleisten. Für die jüngste Tankanlagengeneration eines großen Raumfahrtdienstleisters liefer-te R. STAHL HMI Systems eine Bedien- und Visualisierungslösung, die bei der Installation keine zusätzlichen Vorkehrungen für den Explosionsschutz benötigt – sie bietet ab Werk bereits den geforderten Explosionsschutz. Auch den Belastungen durch häufige Transporte und Einsätze unter unterschiedlichen, oft extremen klimatischen Bedingungen, hält das eingesetzte Touchscreen-HMI des Typs Exicom ET-436 auf Dauer zuverlässig stand. Als Flüssigtreibstoff für Satelliten kommt in der Regel entweder ein so genanntes Monergol, das heißt ein Einkomponententreibstoff zum Einsatz, oder ein Diergol aus einem Oxidations- und einem Reduktionsmittel, die die Sonden in separaten Tanks mitführen. Beim Einbringen in eine Brennkammer entzündet sich ein Gemisch dieser beiden Stoffe sofort bei Berührung. Die Betankung erfolgt üblicherweise aus Behältern, die auf fahrbaren Wagen montiert sind. Als Monergol wird meist hochreines Hydrazin, eine Stickstoff-Wasserstoff-Verbindung, verwendet. Zweikomponentenantriebe für Satelliten arbeiten häufig mit Distickstofftetroxid als Oxidator sowie mit einem Hydrazin-Derivat, wie Monomethylhydrazin. Bei all diesen Substanzen handelt es sich um Gefahrstoffe: Stickstofftetroxid ist hochgiftig und chemisch aggressiv, Hydrazin und seine Derivate sind hautreizend, werden bei Kontakt schnell über die Haut aufgenommen und wirken nachweislich krebserzeugend. Natürlich sind sie, wie es ihr Einsatzzweck erfordert, zudem leicht entzündlich. Beim Betanken sind neben Gesundheitsschutzmaßnahmen für die Bediener – an erster Stelle in Form geeigneter Anzüge – deshalb vor allem Explosionsschutzmaßnahmen unerlässlich (Bild 2).
Vielfältige Bedien- und Visualisierungsaufgaben
Betankungswagen des von R. STAHL belieferten Herstellers sind mit umfangreicher Technik zur Befüllung und Tankentleerung sowie zur Probenentnahme und chemischen Analyse ausgestattet. Darüber hinaus ist jede der Einheiten mit einer Vakuumpumpe zur kompletten Entleerung und Dekontamination der Leitungen bestückt. Und schließlich beinhalten die Tankanlagen auch Bauteile für Druckauf und -abbau. In der Schwerelosigkeit werden die Treibstoffkomponenten über Gasdruck aus den Tanks in die Brennkammer des Satelliten bzw. zum Auslass befördert. Im Tankbehälter trennt eine Membran ein entsprechendes Arbeitsgas, wie z.B. Helium, von der Treibstoffflüssigkeit im Inneren der Hülle. So müssen die Satelliten auch mit einem Hilfsgas vor dem Start betankt werden. Sämtliche Befüllungs- und Entleerungsvorgänge, Pegelstände, Druckveränderungen etc. können am HMI-System der Betankungsanlage übersichtlich dargestellt und bequem überwacht werden. Da bei der Betankung sichergestellt sein muss, dass die Zusammensetzung und der Reinheitsgrad der Treibstoffsubstanzen die Anforderungen erfüllt, werden Proben zur Überprüfung der Komponenten entnommen. Auch die entsprechenden Analysen lassen sich am eingesetzten Bedieninterface, einem Touchscreen-HMI des Typs Exicom ET-436 von R. STAHL HMI Systems, verfolgen (Bild 3). Das PC-basierte Bediengerät mit der Explosionsschutzkennung II 2 DG Ex de ib IIC T4 ist für den Einsatz in Zone 1 geeignet. Sein 15-Zoll-Farbdisplay mit XGA-Auflösung (1024 x 768 Bildpunkte) bleibt dank heller Hintergrundbeleuchtung, hohem Kontrast und großem Ablesewinkel selbst aus der Distanz und durch Schutzanzug-Sichtfenster sehr gut lesbar. Schriftzeichen und Bediengrafik können in einer Größe dargestellt werden, die auch mit Handschuhen eine bequeme Bedienung des analogresistiven Bildschirms erlaubt. Acht Funktionstasten stehen als mechanische Bedienelemente zur Verfügung. Die sehr flexible Sprach- und Tastaturbelegung des Onscreen-Keyboards bietet weit über 100 Varianten zur Auswahl. So lässt sie sich überall auf praktisch jedes Einsatzszenario abstimmen, einschließlich eines multilingualen Betriebs, bei dem das Gerät per Knopfdruck live zwischen unterschiedlichen Sprachen hin und her geschaltet werden kann. Auch sämtliche Mausfunktionen werden vom Touchscreen-Treiber unterstützt. Dank Windows XP embedded bietet das ET-436 die freie Wahl unter allen einschlägigen Standardapplikationen. Softwareseitige Modifikationen und Umstellungen lassen sich leicht implementieren. Vorkonfigurierte Pakete können per USB-Schnittstelle, die trotz der Explosionsschutzanforderungen die volle Transferrate erreicht, sehr schnell und bequem ins Gerät übertragen werden.
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Bild 2: Satelliten-Treibstoffe sind nicht nur leicht entzündlich, sondern auch gesundheitsgefährdend – das Bedienpersonal trägt daher Schutzanzüge | Bild 3: HMI-System zur Steuerung und Überwachung einer Betankungsanlage |
Mobil, klimafest und langlebig
Auch wenn Jahr für Jahr mehr Satelliten in die Umlaufbahn gebracht werden, ist es bislang nicht wirtschaftlich, High Tech-Betankungsanlagen dieser Art fest an einem Standort zu stationieren. Begleitet von einem Teil der zwischen vier und zwölf Personen umfassenden Bediencrew reisen diese Anlagen deshalb um die ganze Welt. Obwohl das Auspacken, Validieren, der eigentliche Betankungsvorgang und das abschließende Dekontaminieren der Anlage bei jeder Mission rund zwei Wochen Zeit beansprucht, wird das gesamte Equipment – abgesehen vom Treibstoff – von Einsatz zu Einsatz zum jeweiligen Weltraumbahnhof verschifft. Neben dem Weltraumbahnhof in Kourou, Französisch-Guayana für europäische Satelliten, sind dies auch nordamerikanische Basen sowie von Russland betriebene Startplätze. Voraussetzung für die in der mobilen Tankanlage eingesetzte Technik ist deshalb auch, dass sie nicht nur in Äquatornähe zuverlässig arbeitet, sondern zum Beispiel auch dem Kontinentalklima des kasachischen Baikonur mit seinen typischen Kälteperioden trotzt. Auch die ständigen Transporte, die mit Erschütterungen und nicht immer sanfter Handhabung verbunden sind, muss sie natürlich in allen Teilen unbeschädigt überstehen. Das HMI-System ET-436 wird solchen Anforderungen gerecht, da es auch ohne Heizung bereits auf einen erweiterten Temperaturbereich von –10 bis +50°C ausgelegt ist. Das Gerät wurde zudem nicht nur mechanisch robust ausgeführt, sondern von vorn herein auch als nahezu wartungsfreie Einheit konzipiert. Auf Lüfter verzichten die inneren Bauteile komplett, der energiesparenden CPU genügt passive Kühlung. Auch Festplatten werden standardmäßig nicht verwendet, sondern durch Flashdisks ersetzt, so dass das HMI als ein System ohne jegliche rotierenden Teile eine sehr hohe Ausfallsicherheit erreicht. Das Serviceintervall eines ET-436 bemisst sich in Jahren – die Lebensdauer des TFT-Bildschirms liegt bei ungefähr 50.000 Stunden.
Fazit
Betankungsanlagen für Satelliten stellen hohe Anforderungen an Funktionalität, Sicherheit und Robustheit aller verwendeten Komponenten und Systeme. Eine Reihe von Parametern müssen beobachtet, verschiedene Prüffunktionen prägnant visualisiert, bequem gesteuert und zuverlässig überwacht werden können. Der leicht entzündliche Treibstoff erfordert umfassende Explosionsschutzvorkehrungen für das gesamte System. Der wiederholte Auf- und Abbau, durch die häufigen Transporte der Anlage rund um den Globus und ein Einsatz unter sehr unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ist nur mit einer widerstandsfähigen Ausrüstung möglich, die bei geringen Wartungsanforderungen hervorragende Standzeiten erreicht. Das PC-basierte Touchscreen-System Exicom ET-436 von R. STAHL HMI Systems wird im Gegensatz zu früheren Ausführungen allen genannten Kriterien gerecht.