Download het artikel in 
ENGINEERINGNET.BE - Deze Qarman of «QubeSat for Aerothermodynamic Research and Measurements on Ablation» is een cubesat die aan het Von Karman Institute ontwikkeld werd en die nieuwe ‘re-entry’ technologie moet beproeven. zoals materialen voor hitteschilden, passieve aerodynamische stabilisatiesystemen, het doorsturen van telemetrie data naar satellieten tijdens de re-entry,…
De Qarman bestaat uit drie cubesatmodules met achteraan een zogenoemde ‘tuna can’ - een visconservenblik, zo lijkt het wel - die de antenne beschermt. De minisatelliet wordt in augustus opgeleverd om eind augustus de ruimte in te gaan.
«Maar het kan ook december worden», zegt Vincent Van der Haegen voorzichtig. Hij is verantwoordelijk voor de Qarman cubesat bij VKI. De cubesat wordt naar het ISS ruimtestation gestuurd van waar hij ten gepaste tijde gelanceerd zal worden.
De plannen zijn dat hij vier maanden in de ruimte blijft maar zo snel mogelijk zal desorbiteren om op 120 kilometer hoogte de dampkring in te duiken.
Voorspelde crash
Vanaf 150 km hoogte zal de cubesat al ‘drag’ ervaren maar écht warm wordt het pas bij piekdruk tussen 85 en 65 km hoogte. Dat is tegelijk de blackout-zone waarin niet meer gecommuniceerd kan worden met de satelliet. De blackout duurt een 18-tal minuten. Tussen 55 en 45 km hoog is die over en moet geprobeerd worden de communicatie te herstellen.
«Ondertussen valt Qarman wel loodrecht naar beneden» en is er nog maar een geschatte 4,5 minuten tijd om de data die de cubesat registreerde in de blackout zone door te sturen naar het Iridium-communicatiesatellietennetwerk dat op 780 km hoogte een goede spreiding heeft om de data op te vangen. Het netwerk stuurt de datapakketten vervolgens door naar het VKI.
«Als Qarman op 800 m hoogte -de gemiddelde hoogte op aarde- crasht, hebben we 15% overschot in tijd om alle geregistreerde data door te sturen. Als de satelliet op de Mount Everest crasht, zullen we pakketten missen», glimlacht Van der Haegen.
De uitdaging bestaat er echter vooral in om heel snel na de blackout de connectie te maken met de vallende satelliet. «Het gevaar bestaat dat er geen handshake tot stand komt». De communicatie loopt via de L-band.
Warmte is een probleem
De satelliet zal opwarmen. Rondom zal een plasma ontstaan. Sensoren op de neus en langs de zijkant zullen druk, temperatuur en spectra -beeldinformatie van het plasma- opmeten. «Druk kan bepaald worden door momentum metingen van zijpanelen die uitklappen. Maar al wat beweegt, al wat mechanisch is, is een kopzorg in de ruimte», zegt Van der Haegen.
«We werken dan ook eerder met keramische spanningsmeters waaruit we de dichtheid van het medium waar de cubesat doorheen valt afleiden». Het ablatief materiaal op de neus brandt op. Sensoren die verwerkt zitten in dat materiaal meten de snelheid waarmee dat gebeurt.
De grote uitdaging hier? «De cubesat is werkelijk heel erg klein», zegt Van der Haegen. «We moeten de temperatuur binnenin tussen 0°C en 50°C houden. De satelliet zal vier maanden in de ruimte blijven. De helft van de tijd zal de satelliet in de schaduw van de aarde komen. Dan moeten we hem opwarmen».
Dat vergt energie. Er zullen instrumenten ingeschakeld worden om warmte te produceren. Het Attitude Determination and Control System (ADSC), die de positionering van de cubesat bepaalt en monitort, moet daarbij steeds geraadpleegd worden. «Anderzijds willen we zeker zijn dat de batterijen te allen tijden maximaal opgeladen zijn».
Tijdens de re-entry haalt de gemiddelde temperatuur van het plasma rond de satelliet zo’n 8.000°C. De buitenkant van de zijpanelen warmen op tot hoogstens 1.100°C. «Binnenin, op nauwelijks 2 cm afstand, bevindt zich elektronica die niet meer dan 50°C aankan». Hoe ga je dat isoleren?
«Ik dacht lang dat het onmogelijk was, maar uiteindelijk hoef je enkel de elektronica te beschermen die je nodig hebt tijdens en na de re-entry: de boordcomputer, het geheugen, de modem en de antenne. Die steken we in de survival-unit. De rest mag wegsmelten».
In de survival-unit komen twee fiberfrax-matjes die geïmpregneerd zijn met isolerend aerogel-materiaal. «Dat isoleert zo goed dat we nu al opwarmen door de elektronica zelf zodat we bijkomende heat sinks moeten voorzien om de interne warmte af te voeren».
Bij de les
«Wat zal het ons leren? We demonstreren dat het mogelijk is ook met cubesats een re-entry te overleven». Van der Haegen zal leren over het ablatief materiaal. Het gaat blijkbaar om courant gebruikte P50 Amori-kurk uit Portugal die in fenol geïmpregneerd werd.
Bij opwarmen zal de fenol sublimeren en energie opnemen. De vrijkomende gassen leggen een ‘koudefilm” over de neus van de cubesat terwijl de kurk op een vrij gecontroleerde manier erodeert. In het ablatieve materiaal zitten verschillende sensoren -een spectrometer en vijf thermokoppels achter thermische plugs- om het temperatuurverloop in het hitteschild op te meten.
Voor het VKI is het de bedoeling op de realiteit getoetste data te bekomen die het vervolgens kan aanwenden om in zijn labs re-entries op een nog realistischere manier te simuleren.
Horlogemaker
Melotte vonkerodeerde de titaniumstructuur van Qarman. Ook waar nu de keramische zijpanelen zitten, onder de zonnepanelen, komen straks panelen in titanium. De vrees is namelijk dat de keramische panelen schokgevoelig zijn en het al tijdens de lancering kunnen laten afweten. «Het is zelfs onzeker of we ze stressveilig kunnen monteren». Ze kregen een CVD silicium carbide coating mee van Materia Nova uit Bergen.
De kostprijs van een lancering van een cubesat wordt gerekend a rato van 30.000 dollar per kg. Qarman weegt zo’n 3.420 gram. «Als ik van elke Belg 10 eurocent krijg, kan ik er een tweede maken». Het assembleren van de cubesat vergt een viertal weken continu werken met twee ingenieurs en een technicus, rekent Van der Haegen.
Hij wijst op de noodzaak om alle handelingen daarbij te documenteren. Bijvoorbeeld: het ‘moment’ bij het indraaien van schroeven. «Het is echt ambachtelijk werk». Hij beklemtoont de rol van zijn techicus, Terence Boeyen, die horlogemaker van opleiding is. «Zonder hem geen Qarman!»
(foto's: LDS)
door Luc De Smet, Engineeringnet
