Download het artikel in 
ENGINEERINGNET.BE - De eerste commerciële vluchten zouden al in 2024 kunnen. De eerste bemande vluchten vanaf twee jaar later. Het idee dat er wel duizend Starships nodig zullen zijn om een zelfvoorzienende stad op Mars te bouwen, betekent dat er nog een heuse productiemachine op gang getrokken moet worden. Ook Europa heeft plannen.
Europa wil eerst onderzoeken of er ooit leven op de Rode Planeet was. Een eerste satelliet (Trace Gas Orbiter) ging in maart 2016 de ruimte in en maakt nu rondjes rond Mars. De daaropvolgende Exomars vlucht met een Russische Roscosmos draagraket vanuit Baikonoer (Kazakstan) zal in juni 2023 op het Marsoppervlak een vast platform met een ‘rover’ droppen, de Rosalind Franklin, naar de Britse chemica die met röntgendiffractiefoto’s in 1952 bijdroeg aan de ontdekking van de structuur van DNA. Die gaat actief op zoek naar sporen van leven.
Data, die de rover verzamelt, zullen naar de aarde doorgestuurd worden via de Trace Gas Orbiter. De Exomars vlucht was oorspronkelijk gepland voor 2018 maar werd uitgesteld tot 2020 en staat nu op de lanceeragenda voor 20 september 2022. Deze kalender heeft alles te maken met de banen van Mars en de aarde die om de 26 maanden ‘synchroniseren’. Dan vergt een Marsvlucht ‘maar’ negen maanden. Het nauwe venster van slechts twaalf dagen mag niet gemist worden. Elke vertraging zorgt voor een uitstel van zowat twee jaar.
LaRa
De Exomars 2020 satelliet bestaat uit twee delen: een carrier- en een landingsmodule. De carriermodule zal de landingsmodule naar de Rode Planeet brengen en daar op een veilige manier afduwen om succesvol te landen. De landingsmodule bevat Russische en EU-instrumenten, onder andere de Belgische LaRa transponder die het roteren van de planeet heel precies zal opmeten. LaRa (Lander Radioscience) is een transponder met één ontvangst- en twee zendantennes die op de X-band radiosignalen van de aarde zal terugsturen.
Uit de precieze meting van de Dopplerverschuiving op die tweewegs-radiolink is informatie over het roteren van Mars af te leiden, wat tegelijk meer vertelt over de fysieke eigenschappen van de kern van de planeet. Antwerp Space ontwikkelde, bouwde en testte de transponder. UCLouvain stond in voor de antennes en de Koninklijke Sterrenwacht van België zal de data analyseren. Ook andere Belgische bedrijven droegen hun steentje bij aan deze missie.
Remote Terminal Unit
Thales Alenia Space Belgium (TAS) stond in voor de carriermodule Remote Terminal Unit (RTU) met vier verschillende types van modules. Twee daarvan zijn met Qinetiq Space ontworpen en getest. De CRTU is een elektronicadoos die voornamelijk sensoren uitleest en actuatoren aanstuurt. Deze RTU van de carrier communiceert met de computer van de descentmodule en stuurt de thrusters aan via de propulsiemodule. “Wij legden de building blocks en ontwerpregels op die specifiek waren voor onze productielijn in Charleroi. Afhankelijk van de maakbaarheid dus”, zegt Koen van der Zanden, die in 2015 met dit project van start ging bij TAS Belgium als projectmanager.
Redundantie cruciaal
Eigenlijk telt de RTU negen modules. “Redundantie en het voorkomen van één single point of failure zijn heel belangrijk.” Er is ook een unit gebouwd als proefmodel voor de kwalificatietesten. “We onderwierpen die aan extreme condities die we de echte unit niet willen aandoen.” Hoge en lage temperatuurproeven, vibratie en schokken, EMC … “Die testunit zit nog steeds bij de collega’s in Italië.” TAS leverde de unit meer dan twee jaar geleden aan OHB Bremen, die hem integreerde op de carrier.
Om die op zijn beurt toe te leveren aan Thales Alenia Space in Italië. Ondertussen is deze vluchtunit ook getest, maar ‘milder’ of ‘second level’, en geïntegreerd in de satelliet. Alles is uiteraard goed gedocumenteerd voor latere referentie in geval van problemen. TAS heeft twee vestigingen in ons land. Het Leuvense kantoor, dat dertig medewerkers telt, stond in voor de engineering, design en projectmanagement. Op het project zelf stonden een viertal medewerkers: soft- en hardware, engineering, kwaliteitsverzekering … In de productiesite in Charleroi droegen er ongeveer een 100-tal medewerkers (op de 600) rechtstreeks aan dit project bij. “Kortom, onze unit is 100% Belgisch.”
Parallel ontwikkelen
“Met Qinetiq kenden we een goede samenwerking veeleer dan een onderaannemersrelatie”, aldus van der Zanden. Wel betekent elke extra interface een enorme overhead aan communicatie, revues … Als uitdaging kan dat tellen. Bovendien is TAS Belgium niet gewoon te werken met een grote subcontractor. “Meestal doen we alles zelf. Het is dan niet evident een extern design in de productie in Charleroi te introduceren. Het was hier dan ook wat zoeken.”
Van der Zanden beaamt dat het er in de ruimtevaart anders zeer conservatief aan toe gaat. Alle processen zijn er gecertificeerd, nog strakker dan in de luchtvaart. Begrijpelijk. “Zonder onze unit is de missie over. Het is de intelligentste unit van de carrier.” Maar er beweegt toch iets. Zo ontwikkelde TAS Belgium voor Exomars ook een DPC (Digital Programmable Processor) “waarop we software kunnen programmeren die makkelijk geüpgraded kan worden eenmaal gelanceerd en in de ruimte.” De processor, die ontwikkeld werd samen met imec, moest stralingshard zijn. “Met de hete adem van ESA in de nek, stopten we de DPC in het project nog vóór die gecertificeerd was.”
Hier liep de certificatie van de DPC reeds parallel met de unit. “Voor ons een nieuw concept. Eén van de modules van Qinetiq had ook al zo’n DPC aan boord.“Vroeger was alles gebaseerd op ‘degelijkheid’. Projecten werden sequentieel uitgevoerd. Ze vergden acht tot tien jaar. Vandaag moet het sneller en lopen ontwerp en productie parallel én goedkoper. ‘Time to market’ moet korter. Men wil nú een oplossing. Er wordt ook meer gedacht in ‘constellaties’. Starlink is daarvan een goed voorbeeld. Niet één of een handvol, maar honderden, duizenden satellieten zet SpaceX uit in een baan om de aarde om … internet aan te bieden voor afgelegen locaties. Maatwerk evolueert naar standaardisatie.”
QinetiQ Space
“Wij ontwikkelden twee types van borden die deel uitmaken van de CRTU. Enerzijds een I/O bord dat een verzameling van in- en outputinterfaces bevat die de voornaamste sensoren en actuatoren op de carriermodule gaat uitlezen en aansturen”, zegt projectleider Nico Fleurinck bij QinetiQ Space in Kruibeke. “Daarnaast hebben we ook een MIL 1553 bord ontwikkeld dat een brug vormt tussen de MIL 1553 bus op de carrier module en de MIL 1553 bus op de landingsmodule, zodat de units op beide satellietmodules met elkaar kunnen communiceren.”
Fleurinck vergelijkt dit met een navelstrengfunctie tussen de baby en de moeder. Het MIL 1553 bord bevat naast de brugfunctie ook een 'collision avoidance maneuver’ mechanisme dat de commando’s naar de thrusters van de carrier module stuurt om een botsing tussen beide modules te allen tijde te vermijden. “Onze klant TAS bouwde/assembleerde de Qualification Models en de Flight Models van onze borden waarop wij dan de testen uitvoerden.” De twee borden die QinetiQ Space ontwikkelde, hebben zowat de grootte van een A4-tje. TAS (Leuven) plaatste de componenten op de borden. Vervolgens testte QinetiQ Space de borden uit met de zelf ontwikkelde en gebouwde Electrical Ground Support Equipment (EGSE), een rack met de meettoestellen en voedingen om de unit automatisch uit te testen.
Zuur
De strakke planning was ook hier de grote uitdaging. “We startten het werk in 2015 voor een lancering die gepland stond voor 2018. Een kleine twee jaar voor zowel het papierwerk/ontwikkeling als het bouwen en testen van alle hardware modellen (engineering, qualification & flight).” Er is ook een kwalificatiemodel gebouwd waarop trillings/vibratieproeven en thermische stresstests werden gedaan.
“De hardware die wij bouwen kan tientallen jaren meegaan in de ruimte ook al bedraagt de operationele levensduur in orbit maar negen maanden voor deze Marsmissie.” QinetiQ Space werkte met een multidisciplinair team van tussen de vijf en tien mensen aan dit project. Dat Exomars uiteindelijk aan de grond bleef in 2018 en ook het venster in 2020 miste, ervaart de ruimtevaartingenieur als ‘enorm zuur’. “We zwoegden anderhalf jaar aan dit project met nachtwerk, slapeloze weekends, vakantie opzij gezet …”
Door Luc De Smet
Kader:
Koen van der Zanden (50), die in 2015 bij Thales Alenia Space als projectmanager begon, was eerder actief bij Xenics, dat zich toespitst op infraroodcamera’s, onder andere ook voor ruimtevaartsensoren. Hij doctoreerde bij imec op halfgeleiderelektronica. Zijn ingenieursstudies Toegepaste Fysica deed hij in Eindhoven.
Kader:
Nico Fleurinck (44) werkt sinds 2000 bij QinetiQ Space. Eerst was hij testingenieur op de Proba-1 satelliet om dan designingenieur voor elektronicasystemen te worden. Met Exomars was hij projectleider. Hij studeerde aan KIHO (Aalst) eerst industrieel ingenieur en vervolgens aan KaHo Sint-Lieven (Gent) om dan in avondschool twee jaar Master-Na-Master ruimtevaart te volgen in Oostende.
Kader: Paradox
Ruimtevaart wordt beschouwd als spitstechnologie, een extreme uitdaging voor ingenieurs. “We zijn echter vooral bezig met technologie uit het verleden”, zegt Nico Fleurinck bij QinetiQ Space. Hij wijst op een paradox. “De missie was al jaren eerder gedefinieerd op papier. De borden zijn in 2018 opgeleverd en gaan nu pas in 2022 de ruimte in.” Het is dan ook niet evident om de allernieuwste technologie te integreren. Er wordt steevast gekozen voor bewezen technologie, voor wat werkt. Een voorbeeld: “Het oude MIL 1553 protocol betreft nog datacommunicatie bij 1 MB/sec. Ondertussen schuift ethernet, met honderd keer meer bandbreedte, stilaan wel de ruimtevaart in.”
