Prozesse und Kontrolle heute

29.08.2023 Portescap SA

Die präzise Steuerung der Raketenflossen kann den Unterschied zwischen einem Treffen oder Verfehlen des Ziels ausmachen. Die Betätigung der Flossen erfordert eine Bewegungslösung mit zuverlässiger, hochdynamischer Steuerung in einem leistungsdichten Paket. Eine anpassbare Standardstrategie (COTS) kann dabei helfen, dieses Ergebnis zu erreichen, indem sie die Entwicklungszeit minimiert und gleichzeitig die wesentlichen Betriebskriterien erfüllt.

Um eine Präzision innerhalb weniger Meter vom erwarteten Auftreffpunkt der Rakete zu erreichen, ist eine präzise Steuerung der Flossen von grundlegender Bedeutung. Während das Leitsystem die Flugbahn steuert, ist die Leistung der Bewegungslösung, bestehend aus Motor und Feedback-Steuerung, entscheidend, um eine genaue und reaktionsfähige Position der Flugkörperflosse zu erreichen. Die Fähigkeit, die Flossen im präzisen Winkel zu bewegen und schnell auf kontinuierliche Rückmeldungen zu reagieren, ist für das Erreichen der Zielgenauigkeit von entscheidender Bedeutung.

Die Betätigung der Raketenflosse erfordert ein Bewegungssteuerungssystem, das ausreichend Drehmoment erzeugen kann, um die Position gegen aerodynamische Kräfte zu bewegen, einschließlich Geschwindigkeiten bis zu einem Mehrfachen der Schallgeschwindigkeit. Masse und physisches Volumen sind jedoch entscheidende Einschränkungen, sowohl im Hinblick auf die Gesamtnutzlast des Flugzeugs bei der Betrachtung luftgestützter Raketen als auch auf die Flugleistungseigenschaften der Rakete selbst.

Hohe dynamische Kontrolle

Bürstenlose Gleichstrommotoren, auch BLDC genannt, sind die bevorzugte Bauform, und ein Hauptgrund dafür ist ihre inhärente Leistungsdichte. Das Fehlen von Bürsten kann mit einem nutenlosen Design kombiniert werden, das eine größere Konzentration der Wicklungen ermöglicht und das Drehmoment für den Formfaktor erhöht. Durch die Erweiterung auf vier statt zwei Motorpole bleiben die gleiche geringe Masse und die gleichen Abmessungen erhalten, das Drehmoment wird jedoch optimiert. Infolgedessen können Motorkonstruktionen wie der Portescap 30ECT Ultra EC™ die Leistungsabgabe des Systems bei gegebener Hüllkurve um 20 % steigern. Der 30ECT90 kann ein maximales Dauerdrehmoment von bis zu 225 mNm sowie das für einen hochdynamischen Betrieb erforderliche Spitzendrehmoment erzeugen; Es kann auch ein Spitzendrehmoment von 2 Sekunden aufrechterhalten und so ein Drehmoment von 2,4 Nm erzeugen.

Eine hohe dynamische Leistung ist unerlässlich, um eine virtuelle Echtzeit-Flossensteuerung zu ermöglichen und eine präzise Flugbahn anhand von Situationsrückmeldungen beizubehalten. Das nutenlose Design trägt dank seines leichteren Rotors zu einer schnellen Beschleunigung bei und sorgt für eine geringe Trägheit, was das dynamische Ansprechverhalten verbessert. Ein nutenloser Motor reduziert außerdem das Rastmoment und sorgt so für die gleichmäßige Bewegungsübertragung, die für eine optimale Steuerung unerlässlich ist. Auch die elektronische Kommutierung des BLDC-Motors ist für diesen Prozess von entscheidender Bedeutung, und die 30ECT Ultra EC-Motoren integrieren Hall-Sensoren, um eine Rückmeldung der Rotorposition sowie eine Motorsteuerung einschließlich Drehzahl und Drehmoment zu liefern.

Zuverlässigkeit ist entscheidend

Angesichts der Notwendigkeit von Präzision ist es ebenso wichtig, die Zuverlässigkeit der Flossenbetätigung sicherzustellen. Eine äußerst robuste Motorkonstruktion ist unerlässlich, um Stoß- und Vibrationsfestigkeit zu gewährleisten. Die aus Edelstahl gefertigten 30ECT-Motoren verfügen über lasergeschweißte Vorderflansche für zusätzliche Haltbarkeit. Die Motoren können auch in einem weiten Temperaturbereich von -55 °C bis 85 °C betrieben werden. Das Motordesign optimiert das thermische Verhalten in sich wiederholenden Zyklen mit hoher Spitzenlast, was typisch für die Anforderungen an häufige Positionsänderungen einer Flosse ist.

Während die Eigenschaften des BLDC Reibungsverluste minimieren und gleichzeitig die Wärmeregulierung verbessern, minimieren die schlitzlosen Eigenschaften Wirbelströme, die ebenfalls zur Wärmeerzeugung beitragen. Durch die Reduzierung von Wirbelströmen wird auch elektronisches Rauschen minimiert, wobei die Gewährleistung der elektromagnetischen Verträglichkeit neben Avionik- und Elektronikgeräten unerlässlich ist. Darüber hinaus verringert das schlitzlose Design die Wahrscheinlichkeit konzentrierter magnetischer Flussdichten, die zu Störgeräuschen führen können.

Vorteile der COTS-Strategie

Angesichts der Herausforderungen bei der Betätigung der Raketenflossen ist ein maßgeschneiderter Ansatz zur Bewegungssteuerung eine Option. Bei der Entwicklung von Grund auf ist jedoch die Zeit das größte Hindernis, da allein die Werkzeugentwicklung mehr als ein Jahr dauern kann. Stattdessen ist eine anpassbare Standardlösung (COTS) eine praktische Strategie, die ein maßgeschneidertes Design mit einer schnellen Lieferung kombiniert.

Ein internationaler Verteidigungshersteller beauftragte Portescap mit der Bereitstellung eines auf diesem Ansatz basierenden Betätigungssystems zur Raketenflossensteuerung. Die Fähigkeit von Portescap, eine COTS-Lösung anzupassen, um einen schnellen Prototypen zu ermöglichen, kombiniert mit der Erfahrung in Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsprojekten, waren die Hauptgründe für die Auswahl des Lösungspartners.

Der bürstenlose 30ECT-Gleichstrommotor und ein M-Sense-Encoder wurden in das Design integriert, um den kleinen Bauraum beizubehalten und die Leistungsabgabe zu erhöhen. Das robuste Motordesign erfüllte die Umweltanforderungen der Anwendung und eine sorgfältige Materialauswahl ermöglichte es den Motorkomponenten, die Anforderungen an die Lagerdauer von 20 Jahren zu verlängern.

Flexible Engineering-Optionen

Das Ingenieurteam von Portescap kann auch kundenspezifische Anpassungen anbieten, z. B. verschiedene Spulen entsprechend den Geschwindigkeits- und Spannungsanforderungen sowie verschiedene Schaftlängen und Anschlüsse. Neben einer Auswahl an Getriebe-, Encoder- und Feedback-Steuerungsoptionen können Ingenieure die Integration mechanischer Konstruktionen wie Gehäuse und Flansche entsprechend ihren Anforderungen anbieten.

Die Betätigung von Raketenleitwerken ist ein hochspezialisiertes Unterfangen, aber durch den Einsatz eines COTS-Ansatzes können Teams aus der Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungstechnik schnell eine leistungsstarke, kostengünstige Bewegungslösung erreichen.

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Für mehr Informationen, kontaktieren sie bitte:Portescap SARue Jardiniere 157CH 2300 La Chaux-de-FondsSchweizTel: +41 32 925 62 40E-Mail: [email protected]: https://www.portescap.com

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