Electrical Engineering und Schaltschrankbau für Raumfahrtanwendungen

Bavarian Rocket Science

Die Luft- und Raumfahrttechnik steht für Ingenieurskunst unter Extrembedingungen. Um zum Beispiel Satelliten präzise ins All zu bringen, muss nicht nur am Starttag alles passen. Perfektion ist bereits weit im Vorfeld gefragt – etwa an den Testständen für Bauteile und Komponenten. Das wiederum wirkt sich auch deutlich auf das Engineering der Schaltschränke aus, wie das folgende Beispiel einer Münchner Firma zeigt.

 Die Schaltschränke sind Bestandteil der Teststände - beispielsweise für Komponententests wie hier am Standort Reischach.
Die Schaltschränke sind Bestandteil der Teststände – beispielsweise für Komponententests wie hier am Standort Reischach.Bild: © Isar Aerospace

Der Wettlauf ins All erlebt eine Neuauflage. Doch anders als in den 1950er und 1960er Jahren ringen diesmal keine politischen Systemblöcke um Pionierleistungen in der Raumfahrt. New Space, wie die Fachwelt die Kommerzialisierung neuer Raumfahrt-Technologien und -Anwendungen nennt, ruft vielmehr privat finanzierte Start-ups auf den Plan. Rund um die Welt entwickeln und bauen sie flexible Startsysteme und wiederverwendbare Trägerraketen, die kleine und mittelgroße Satelliten kostengünstig in unterschiedliche Erdumlaufbahnen bringen können.

Als prominente Auftraggeber stehen SpaceX und Blue Origin parat – beide US-Unternehmen wollen aus dem Orbit die entlegensten Winkel der Erde mit schnellem Internet versorgen. An ähnlichen Missionen für neue Satellitenkonstellationen arbeitet auch das europäische Raumfahrtökosystem. Dort positioniert sich Isar Aerospace als Startdienstleister. Das 2018 von drei Raketeningenieuren in München gegründete Unternehmen ist schnell auf über 220 Mitarbeiter gewachsen. Ziel ist es, den Zugang zum Weltraum flexibler und kostengünstiger zu ermöglichen und die kommerzielle Raumfahrt in Europa voranzutreiben.

Kein Lift-off ohne Schaltschränke

Damit bei künftigen Missionen alles wie am Schnürchen klappt, kommt dem Testen und der Validierung jeder Komponente und jedes Bauteils große Bedeutung zu. Jeder Teststand verfügt über speicherprogrammierbare Steuerungen und individuell konfigurierte Schaltschränke. Ihre Größe variiert je nach Anforderung. Für die Prüfung von Subkomponenten wie Ventile oder Batterien reichen kleine Boxen in den Abmessungen von 30x30cm. Um ein Raketentriebwerk validieren zu können braucht es aber größere Versuchsstände wie im Esrange Space Center, nahe der nordschwedischen Stadt Kiruna gelegen. Dort arbeiten die Entwicklungsingenieure von Isar Aerospace mit einem ganzen Netz unterschiedlicher Schaltschränke, die miteinander kommunizieren. Neben SPSen sind 24V-Netzteile, Schütze, Relais, Frequenzumrichter, Motorsteuerungen und jede Menge Sicherheitstechnik verbaut. „Allein 2021 haben wir mehr als 20 Schaltschränke entworfen und in Eigenregie gebaut“, berichtet Marc Rötzer, Elektrokonstrukteur bei Isar Aerospace. Tendenz: weiter steigend.

Diesen Output kann die Elektrotechnik von Isar Aerospace nur stemmen, weil sie eine professionelle ECAD-Anwendung nutzt. Das Fünf-Mann-Team erstellt sämtliche Stromlaufpläne mit der Electrical Engineering Software von WSCAD. Neben einigen Standardschaltungen sind an den Testständen viele Individualentwicklungen zu berücksichtigen. Makros beschleunigen die Konstruktion und helfen gleichzeitig Fehler zu vermeiden. Sobald die Stromlaufpläne stehen, erfolgt mit dem WSCAD-Modul Cabinet Engineering der Schaltschrankaufbau. In dieser Phase ist bereits klar erkennbar, wo welche Relais sitzen, welche Sicherungen später verbaut werden müssen und wo Hutschienen und Kabelkanäle verlaufen. Bohrdaten für Meterware wie Tragschienen lassen sich per Dialog einfach konfigurieren.

3D-Visualisierung für mehr Planungssicherheit

Die Software hilft auch dabei, einzelne Bauteile für die spätere Herstellung der Schränke rechts- oder linksbündig auf Zehntelmillimeter genau zu platzieren. Für einen spürbaren Produktivitätsschub in den Arbeitsabläufen sorgt die Berechnung der Drahtlängen inklusive Routing bereits während der Planung. Auch der Füllgrad der Kabelkanäle ist sofort sichtbar. In der 3D-Ansicht werden Komponenten bei Nutzung nativer 3D-Daten auf Grundlage tatsächlicher Bauteilabmessungen auf Kollisionen geprüft. Schnell lässt sich feststellen, ob die Schranktüren präzise schließen oder nicht. Zudem vermittelt die 3D-Kontrollansicht mit fotorealistischen Bildern eine bessere räumliche Übersicht.

 Die komplette Montage und Verdrahtung der mit WSCAD 
konstruierten Schaltschränke erfolgen bei Isar Aerospace 
aus Qualitätssicherungsgründen intern.
Die komplette Montage und Verdrahtung der mit WSCAD konstruierten Schaltschränke erfolgen bei Isar Aerospace aus Qualitätssicherungsgründen intern.Bild: © Isar Aerospace

Ohne zusätzliche Software und Kosten können die in WSCAD erzeugten Schaltschrankdaten über Schnittstellen exportiert werden, um etwa Klemmleisten von Phoenix Contact zu beschriften. Bei mehreren hundert Klemmenbeschriftungen spart das viel Zeit und vermeidet manuelle Fehler. „Auf solche Features können und wollen wir nicht mehr verzichten“, sagt Rötzer. Verdrahtet wird derzeit noch ausschließlich auf Grundlage der Stromlaufpläne. „Aber auch die Verdrahtungs-App Cabinet AR von WSCAD wollen wir bald testen und einsetzen.“ Die leeren Schaltschränke bezieht Isar Aerospace vorkonfektioniert mit Ausschnitten für Lüfter und Bohrungen für die Bedienelemente. Montage und Verdrahtung erfolgen aus Qualitätssicherungsgründen intern. Am Standort Ottobrunn bei München stehen dafür Kabel und Komponenten in einem eigens eingerichteten Elektrolager zur Verfügung.

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