VEKTOR-FDA: Erprobung eines flüssigmetallbasierten Mehrfreiheitsgrad-Aktuators zur Lagekontrolle von Kleinsatelliten unter Mikrogravitation
Traditionell wird die Lageregelung von Raumfahrzeugen durch mechanische Aktuatoren wie Reaktions- oder Schwungräder realisiert, die mittels rotierender Festkörper Drehimpuls erzeugen. Diese Systeme sind technologisch ausgereift, ihre Leistungsfähigkeit wird jedoch durch bewegliche Teile in Lebensdauer, Effizienz und Robustheit begrenzt.
Der neuartige VEKTOR-FDA-Aktuator (Vector Fluid Dynamic Actuator) verfolgt einen grundlegend anderen Ansatz: Statt fester Massen werden rotierende Flüssigkeitsströmungen genutzt. Hierzu ist Flüssigmetall in einer hohlen Kugel eingeschlossen und wird durch elektromagnetische (EM) Pumpen in einem geschlossenen Kreislauf bewegt. Das Fluid wird über Auslasskanäle aus der Kugel herausgeführt und über Einlasskanäle wieder zurückgeleitet, wodurch im Inneren eine rotierende Strömung entsteht. Diese rotierende Strömung erzeugt einen Drehimpulsvektor, während die Kugel selbst statisch fixiert bleibt und ausschließlich als Hülle sowie physikalische Begrenzung des Flüssigkeitsstroms dient.
Für die Steuerung aller drei Raumachsen sind mindestens drei Pumpen erforderlich, die orthogonal zueinander angeordnet sind. Jede Pumpe erzeugt einzeln eine Strömung entlang einer Hauptachse. Werden die Pumpen gleichzeitig betrieben, überlagern sich die Strömungen, sodass durch Variation der jeweiligen Durchflussraten die Rotationsachse – und damit der Drehimpulsvektor – frei im Raum ausgerichtet werden kann. Eine einzelne VEKTOR-FDA-Aktuator ermöglicht somit eine vollständige Drei-Achsen-Lagekontrolle bei deutlich reduzierter mechanischer Komplexität und stellt eine robuste, präzise und vibrationsarme Alternative zu klassischen Aktuatoren dar.
Das Ziel der aktuellen Parabelflugkampagne ist die Proof-of-Concept-Erprobung des Prinzips. Unter Mikrogravitation wird das dreidimensionale fluiddynamische Verhalten innerhalb der Kugel erstmals experimentell untersucht. Zum Einsatz kommt ein kompakter Laborprototyp, bestehend aus einer mit Flüssigmetall gefüllten hohlen Kugel und drei orthogonal angeordneten Miniatur-EM-Pumpen. Der Prototyp ist auf einer sensorgestützten Trägerstruktur montiert, die Drehraten und deren Änderungen während verschiedener Testmodi erfasst. Untersucht werden Szenarien wie Einachsenbetrieb, kombinierte Pumpenmodi sowie Übergänge zwischen unterschiedlichen Betriebsarten.
Zielrichtung des Parabelflugs ist es, Daten zu gewinnen, die eine erste experimentelle Validierung des VEKTOR-FDA-Konzepts ermöglichen und die Bewertung unterschiedlicher Steuerungsstrategien erlauben. Gelingt der Nachweis, eröffnet die Technologie neue Perspektiven für die Lageregelung von Kleinsatelliten: kompakt, wartungsarm, energieeffizient, ohne bewegliche mechanische Komponenten, robust gegenüber strukturellen Belastungen und mit vollständiger Drei-Achsen-Kontrolle.