Nanosatelliter skal udvikles i et tidligere uhørt tempo, være billige og mindst dobbelt så pålidelige som hidtil – det er en seriøs udfordring, der kræver ekstreme test. 

7. januar 2019

Danmark har en stolt tradition inden for rumfartselektronik, og med den nationale rumstrategi fra 2016 i kølvandet på Andreas Mogensens imponerende mission er der kommet fokus på new space og nanosatellitter, som er karakteriseret ved høj volumen satellitter til kredsløb i lav bane om jorden.

Fra mikro- til nanosatellitter

Udviklingen går generelt i retning af mindre satellitter fra mikrosatellitter, hvoraf Ørsted fra 1999 var Danmarks første satellit på 50 kg, til dagens nanosatellitter på 1-10 kg og i fremtiden måske pico- og femtosatellitter. Den primære driver er lavere omkostninger til både udvikling og opsendelse. Derudover skaber nanosatellitter muligheder for samarbejde mellem mange satellitter til opsamling af data fra multiple lokationer. De lave udviklings- og opsendelsesomkostninger skaber bl.a. grobund for et nyt vækstmarked for special purpose satellitter, hvor upstream og downstream interessenter er tættere forbundne i en meget kortere udviklingscyklus.

Udfordringer for new space

Udfordringen for udviklere af nanosatellitter er at sikre og dokumentere tilstrækkelig operationel levetid, samtidig med at omkostningerne holdes ned. Klassisk space eller udstyr til deep space oplever krav om 20 års levetid eller længere i det allerhårdeste miljø, mens kravene for new space typisk ligger på 3-5 år under forhold, der nok er gunstigere men stadig krævende. Derfor er løsningen ikke bare direkte at overføre design- og testmetoder fra klassisk space til new space. Blandt andet benytter new space COTS (commercial off-the-shelf) komponenter, som ikke er certificeret til brug i space. Derfor må der udvikles ekstreme test målrettet new space for effektivt at verificere produkternes evne til at overleve opsendelse og fungere i miljøet i rummet.

Dette er et af målene i resultatkontrakten ”Udnyttelse af systemer til rummet”, hvor satellitproducenten GomSpace har været en aktiv medspiller, der er kommet med eksisterende moduler, som de nye test er afprøvet på.

Udgangspunkt i pålidelighedsstrategi

Ekstreme test tager udgangspunkt i en pålidelighedsstrategi baseret på mål for levetid, acceptabel fejlrate og konfidens. Testene deles op i design verifikationstest og accelererede pålidelighedstest. Formålet med design verifikationstestene er at verificere, at designet lever op til nogle specificerede funktions- og miljøkrav, mens formålet med pålidelighedstestene er enten at finde svagheder ved designet, således at disse kan fjernes inden produktion, eller at få et mål for levetiden. Figur 1 herunder viser princippet i opdelingen mellem de forskellige test.

Figur 1: Pålidelighed og teststrategi

Ekstreme test af GomSpace-moduler

For at få god pålidelighed af new spaceudstyr gælder det først og fremmest om at sikre, at der ikke er svagheder i designet. Det ved GomSpace, der udvikler modulære nanosatellitter, godt. De har derfor gennemført HALT (Highly Accelerated Limit Testing) af moduler til en af deres nanosatellitter. Under HALT’en blev modulerne udsat for termomekaniske påvirkninger med stigende stress for at finde potentielle svagheder og bestemme margin. HALT er en ny testmetode inden for spaceudstyr, men da man tidligt i udviklingsforløbet hurtigt finder svagheder, der ellers ville vise sig under brug, eller får verificeret stor margin i designet, er det en metode, som matcher new space’s behov for kosteffektiv test.

Når GomSpace og andre new space producenter benytter COTS elektronikkomponenter og batterier, opstår der et behov for at dokumentere, at produkter med disse kan overleve de krævede 5 år i brug. Klassisk levetidstest kan tage mange måneder. Derfor er der også her behov for at introducere nye og hurtigere metoder som CALT (Calibrated Accelerated Life Testing), hvor varigheden ”kalibreres” til den tid, der til rådighed i projektet. En anden fordel ved CALT er, at der kun er behov for 6 testobjekter og dermed væsentlig færre end for klassisk levetidstest.

Under en CALT udsættes først 2 eksemplarer af produktet for testpåvirkninger, der ligger tæt på det niveau, hvor produkterne går i stykker med det samme (”foolish” limit, som er fundet under HALT), og derefter udsættes endnu 2 eksemplarer for påvirkninger med et niveau, som ligger lidt lavere end ”foolish” limit. Når man kender tiden til fejl for de 2 x 2 eksemplarer ved de to niveauer, kan man beregne - eller kalibrere - niveauet for den testpåvirkning, som de sidste 2 eksemplarer skal udsættes for og derved få dem til at fejle inden for den tid, der er til rådighed.

I GomSpaces tilfælde vurderedes høj temperatur at være den mest dominerende stressor i forhold til reduceret levetid af elektronikken. Temperaturændring og vibration blev også vurderet at have indflydelse. Derfor blev der designet en CALT-eksponering, der bestod af 90 minutters cykler med primært høj temperatur suppleret med en enkelt hurtig temperaturcykling, som forekommer, når satellitten roterer omkring jorden, og kort 6-akset random vibration ved lavt niveau, 5 grms, da der ikke forekommer betydende vibrationer under brug i rummet. De mekaniske påvirkninger fra opsendelsen er dækket af kvalifikationstesten. Kun niveauet for den høje temperatur blev ændret i de forskellige step af CALT’en. Figur 2 viser en CALT-cyklus.
Figur 2: Eksempel på CALT-cyklus

Designverifikationstest med udgangspunkt i mission profile

Efter gennemført HALT og CALT bør design verifikationstesten eller kvalifikationstesten være en formssag, når det gælder de påvirkninger, der har indgået i HALT og CALT.

Matricen i figur 3 giver et overblik over mission profilen for nanosatellitten i dens livscyklus, det vil sige en vurdering af betydningen af forskellige miljøpåvirkninger gennem de forskellige faser fra produktion til brug i rummet. Matricen er udviklet i forbindelse med resultatkontrakten.

Udvælgelsen af relevante designverifikationstest kan baseres på matricen. Strategien er ud fra en risikovurdering kun at gennemføre de mest relevante test samt at gennemføre disse på den mest kosteffektive måde. Dette kaldes også intelligent test.
Figur 3: Mission profile for nanosatelitter

Pyrochok - en eksplosiv påvirkning

Vibration, termisk vakuum og EMC er klassiske test for rumfartselektronik. Pyrochok indgår også ofte i testpakken for at verificere, at nanosatellitter, kamera, sensorer eller andet udstyr kan overleve påvirkningerne fra eksplosionen af bolte, når trin i løfteraketten separeres fra resten, eller når nyttelasten separeres fra løfteraketten.

Der er tale om en mekanisk påvirkning med meget høje frekvenser og meget højt niveau, som kan påvirke relæer eller krystaloscillatorer, ødelægge små kredsløbskomponenter eller løsne små kugler af loddetin, som derefter kan forårsage kortslutninger. Pyrotekniske chok specificeres normalt som Required Shock Response Spectrum (SRS eller RRS) og udtrykkes i acceleration og resonansfrekvens.
Figur 4: Eksempel på typisk pyrochok tidshistorie

I forbindelse med resultatkontrakten er der opbygget en facilitet til pyrochok, som pt. afprøves på forskellige emner. I praksis benyttes en speciel boltpistol ladet med krudt til at inducere energien i et hjørne af en stor metalplade med fordelte tilpassede masser og nanosatellitten eller andet udstyr, der skal udsættes for pyrochokket, placeret i det modsatte hjørne i forhold til påvirkningen med boltpistolen.

FORCE Technology har været aktive inden for teknologi til rummet gennem flere årtier, men arbejdet beskrevet i denne artikel er medfinansieret af Uddannelses- og Forskningsministeriet/Styrelsen for Institutioner og Uddannelsesstøtte.

Figur 5: Pyrochok gennemført på dummy (aluminiumsklods). Foto FORCE Technology.
Topbillede: Nanosatelitter i rummet. Af GomSpace.