Tests und Qualifikation

Warum getestet wird

Die ersten hundert CubeSats lehrten die Fachgemeinschaft, dass eine schnelle und kostengünstige Entwicklung ihre eigene Ausfallstatistik mit sich bringt: Ein erheblicher Teil der frühen Missionen fiel bereits in den ersten Tagen aus — oft aufgrund von Fehlern, die ein Systemtest am Boden aufgedeckt hätte[1]. Spätere Untersuchungen führten die meisten Ausfälle auf die Energieversorgungs- und Kommunikationssubsysteme sowie auf unzureichende Systemtests zurück und plädierten für eine gründlichere Funktions- und Umweltverifikation auf Gesamtsystemebene[2]. Gründliches Testen ist die günstigste Versicherung, die sich ein kleines Team leisten kann.

Modellphilosophie

Raumfahrtagenturen trennen die Aufgaben der im Projektverlauf aufgebauten Hardwaremodelle klar voneinander[3]:

• Ingenieurmodell (Engineering Model, EM). Repräsentativ in Form und Funktion; dient der Fehlersuche an Schnittstellen und Flugsoftware.
• Qualifikationsmodell (Qualification Model, QM). Baugleich zum Flugmodell; wird mit Qualifikationspegeln und -dauern (mit Sicherheitsmarge über der erwarteten Umweltbelastung) geprüft und fliegt selbst nicht.
• Protoflight-Modell (PFM). Flughardware, die mit Qualifikationspegeln, aber verkürzten Abnahmedauern getestet wird; der übliche Weg kleiner Missionen, die sich kein separates QM leisten können.
• Flugmodell (Flight Model, FM). Wird mit Abnahmepegeln (Acceptance Levels) geprüft, um Fertigungs- und Verarbeitungsfehler aufzudecken.

Die meisten PocketQube- und CubeSat-Teams bauen zunächst ein Ingenieurmodell und fliegen anschließend ein Protoflight-Modell — ein tragfähiger Kompromiss, solange Prüfpegel und Einwirkdauern strikt eingehalten werden.

„Test as you fly“

Der wichtigste Grundsatz lautet, das Raumfahrzeug genau in der Konfiguration und Reihenfolge zu prüfen, in der es später fliegt: Entfaltungselemente verstaut, Separationsschalter gedrückt, Timer aktiv und die Flugsoftware im Startmodus. Grizu-263A durchlief vor der Auslieferung eine konsequente „Test-as-you-fly“-Kampagne aus Labortests, Ingenieurmodell-Prüfungen, Thermalvakuum-Tests und Vibrationsprüfungen[4].

flowchart LR
  BENCH["Labor- und Platinentests"] --> EM["Ingenieurmodell: Integration und Software"]
  EM --> FUNC["Funktions- und End-to-End-Funktests"]
  FUNC --> VIB["Vibration: Resonanzsuche, Zufallsvibration"]
  VIB --> TVAC["Thermalvakuum und Temperaturzyklen"]
  TVAC --> BAKE["Ausheizen (Bake-out)"]
  BAKE --> FINAL["Abschluss-Funktionstest, Deployer-Integration"]

Vibration

Startlasten werden über den Deployer als Zufallsvibration (Random Vibration), Sinus-Durchläufe (Sine Sweeps) und Schocklasten in den Kleinsatelliten eingeleitet. Die CubeSat Launch Initiative der NASA fordert Systeme, die das Zufallsvibrationsprofil nach GEVS mit rund 10 Grms überstehen[5][6]; die konkreten Prüfpegel und -dauern gibt das Benutzerhandbuch des jeweiligen Startanbieters vor, auf das auch die CubeSat Design Specification verweist[7]. Eine typische Prüfsequenz je Raumachse besteht aus einer Resonanzsuche bei niedrigem Pegel, dem eigentlichen Zufallsvibrationslauf und einer zweiten Resonanzsuche: Verschiebt sich eine Eigenfrequenz zwischen beiden Suchläufen, deutet dies auf gelockerte Verbindungen oder Strukturschäden hin.

Grizu-263A auf dem Rütteltisch

Das Flugmodell von Grizu-263A absolvierte am 21. September 2020 im Labor für Schwingungen und Akustik der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Istanbul (İTÜ) seine Protoflight-Vibrationsprüfung — montiert in seinem Flug-Deployer[4]. Ein mit der Software Vibration VIEW geregelter Schwingerreger vom Typ TIRA TV59327/AIT brachte die Anregung auf; ein PULSE-Messsystem von Brüel & Kjær zeichnete die Beschleunigungen über einen Regelaufnehmer am Gleittisch sowie Messaufnehmer am Deployer und an einem Referenzpunkt auf, woraus die Übertragungsfunktionen bestimmt wurden. Jede Achse — zuerst die beiden Horizontalachsen, danach die Vertikalachse — durchlief eine Resonanzsuche und einen Zufallsvibrationslauf; die Sichtprüfungen nach jedem Durchgang zeigten keinerlei Schäden. Im Oktober 2020 wurde der Satellit in einen AlbaPod integriert und sein Trennschalter für den Flug freigegeben.

Thermalvakuum und Temperaturwechsel

Thermalvakuum-Prüfungen (TVAC) weisen nach, dass das Raumfahrzeug im Vakuum bei seinen heißen und kalten Temperaturextremen zuverlässig arbeitet und die Übergänge übersteht; Temperaturwechseltests (Thermal Cycling), häufig bei Umgebungsdruck durchgeführt, decken Verarbeitungsfehler etwa an Lötstellen auf. Delfi-PQ wurde mit vier Thermalvakuum-Zyklen zwischen −20 und +50 °C qualifiziert[8]. Bei PocketQubes verdient die Wechselbelastung besonderes Augenmerk: Ein 1P durchläuft rund 5500 Eklipsen pro Jahr mit mittleren Temperaturhüben von etwa 30 K und noch deutlich größeren Ausschlägen an den Außenpaneelen, sodass die Qualifikation den vorhergesagten Temperaturbereich mit Sicherheitsmarge abdecken sollte[9].

Ausheizen (Bake-out) und Ausgasung

Werkstoffe werden vorab geprüft, indem Proben im Vakuum 24 h lang auf 125 °C aufgeheizt werden[10]; der fertig integrierte Satellit wird anschließend vor der Auslieferung ausgeheizt (Bake-out), um Feuchtigkeit und Lösungsmittelreste auszutreiben. Delfi-PQ wurde 24 h lang bei 50 °C und 10⁻⁵ mbar ausgeheizt[9]. Die CubeSat Design Specification schreibt ein solches Ausheizen im Thermalvakuum für jeden CubeSat verbindlich vor[7].

Funktions-, Entfaltungs- und Funktests

Umweltprüfungen erfüllen ihren Zweck nur dann, wenn auf jede einzelne ein vollständiger Funktionstest folgt. Entfaltungstests von Antennen und Solarpanelen sollten mehrfach wiederholt werden — auch unter Kälte. End-to-End-Funktests über die reale Bodenstationskette, mit dem echten Flugrahmenformat und einem kalibrierten Dämpfungsglied zur Nachbildung der Freiraumdämpfung, decken Fehler in Leitungskodierung und Rahmenstruktur auf; bei Grizu-263A schlugen frühe Community-Decoder, die von einer anderen Leitungskodierung ausgingen, so lange fehl, bis der Rahmenaufbau geklärt war[4].

Magnetische Prüfungen und Lageregelungstests

Bei magnetischen Lageregelungssystemen sollten die Vorzeichen (Polarität) sämtlicher Sensor- und Aktuatorachsen überprüft, das magnetische Moment des Permanentmagneten bei den Temperaturextremen gemessen und das Restdipolmoment des integrierten Satelliten — etwa in einem Helmholtz-Spulenkäfig — bestimmt werden[9]. Diese Tests sind kostengünstig und verhindern genau jene Vorzeichenfehler, durch die sich ein Satellit im Orbit auf- statt abspinnt.

Was die Flugerfahrung zeigt

Delfi-PQ, einer der am besten dokumentierten PocketQubes, veröffentlichte seine Flugergebnisse und die Lehren aus der Entwicklung in großer Detailtiefe, einschließlich der Grenzen seiner Batterieschutzschaltung[11]. Grizu-263A erfüllte sein primäres Kommunikationsziel und blieb 628 Tage lang in Betrieb — weit länger als das veranschlagte eine Jahr[4]. Beide Missionen unterstreichen dieselbe Erkenntnis: Die Schnittstellen zur Außenwelt (zum Deployer, zur Funkgemeinschaft und zum Startablauf) bedürfen ebenso gründlicher Tests wie die Platinen im Inneren.

Mindest-Prüfkampagne für ein kleines Team

Der Leitfaden CubeSat 101 der NASA beschreibt im Detail, wie sich diese Prüfungen in den Abnahmeprozess der Startanbieter einfügen[12].