Ieder ruimtevoertuig moet de extreme belastingen doorstaan van de mechanische en akoestische trillingen die bij een lancering optreden en eenmaal in zijn baan in de ruimte, staat de satelliet vele jaren bloot aan excessieve temperaturen in vacuüm en aan de invloed van zonnestraling.

Om te verifiëren of alle subsystemen en de satelliet ruimtewaardig zijn, worden alle instrumenten afzonderlijk en ook de satelliet in zijn geheel, getest onder omgevingscondities die zo natuurgetrouw mogelijk de lanceerfase en de vijandige ruimteomgeving nabootsen. Deze testen worden ondermeer uitgevoerd in het testcentrum van ESTEC.

Het testcentrum van het European Space Research and Technology Centre (ESTEC) is zodanig gebouwd dat een te testen ruimtevoertuig gemakkelijk van de ene naar de andere testruimte kan worden verplaatst, zonder dat het nodig is de satelliet geheel of gedeeltelijk te demonteren en opnieuw op te bouwen. Vanwege de locatie van het testcentrum, vlak bij de ESTEC laboratoria, is het gemakkelijk om bij voorkomende problemen tijdens het testen, een beroep te doen op de know-how van de vele experts die daar werkzaam zijn.

Gedurende meer dan dertig jaren is een lange reeks van ESA satellieten met succes bij ESTEC getest. Maar ook vele andere satellieten die niet tot het ESA programma behoren, zoals sommige satellieten van Intelsat, hebben bij ESTEC die testen ondergaan.

Ontstaansgeschiedenis van ESTEC en van het testcentrum

In het begin van de jaren ’60 manifesteerden de Sovjet Unie en de Verenigde Staten zich als de leidende ruimtevaartmogendheden in de wereld en draaide de ruimtewedloop op volle toeren. Op initiatief van een aantal gezaghebbende Europese wetenschappers werd in 1961 door een tiental Europese landen, waaronder Nederland, de Europese Ruimteonderzoek Organisatie ESRO opgericht met als doelstellingen de ontwikkeling van een Europees ruimteonderzoek programma en de gezamenlijke opbouw van een Europese ruimtevaartindustrie.

De hoofdzetel van ESRO werd in Parijs gevestigd en het technologisch centrum ESTEC in Nederland, aanvankelijk in gebouwen van de TU te Delft, waarna in 1966 werd verhuisd naar de definitieve locatie in Noordwijk. Een van de eerste taken van ESTEC bestond uit het testen van de eerste door de industrie gebouwde satellieten ESRO-1 en ESRO-2. Daarom werd bij de bouw van het ESTEC complex in Noordwijk het eerst begonnen met het testcentrum, bestaande uit schone integratie- en voorbereidingshallen, thermische vacuümkamers (Heat Balance Facilities), triltafels en een akoestische kamer. In de loop van de daarop volgende jaren werden satellieten ontwikkeld met steeds grotere massa’s en afmetingen. Zo woog de eerste ESRO satelliet met een diameter van 1,5 meter ongeveer 200 kg, terwijl de milieusatelliet ENVISAT, die onlangs bij ESTEC is getest, een hoogte heeft van tien meter en een gewicht van circa acht ton. Dit heeft er toe geleid dat er steeds grotere testinstallaties met meer capaciteit nodig waren. In de loop van de jaren ’70 en ’80 is ESTEC daarom aanzienlijk uitgebreid met installaties die tot de grootste in Europa kunnen worden gerekend. In feite is het ESTEC testcentrum uitgegroeid tot het belangrijkste ruimtevaart testcentrum in Europa, waar de allergrootste satellieten kunnen worden getest.

Testen in de ruimtevaart

Om een satellietontwerp te realiseren dat optimaal beantwoordt aan de doelstellingen van zijn missie en vervolgens een betrouwbare satelliet te kunnen lanceren die bestand is tegen de extreme mechanische en thermische belastingen, worden in de regel twee soorten testen uitgevoerd: een verificatietest op een prototype in de ontwerpfase en een afnametest van het vluchtmodel in de bouw-en afnamefase. De verificatietesten worden als regel gedaan op een zogenaamd structureel en thermisch prototype, om de mathematische computermodellen te verifiëren.

Het mathematisch model is een ontwerpgereedschap en beoogt het gedrag van de satelliet en zijn subsystemen te voorspellen tijdens de lancering en daarna in de ruimte. Er worden vibratie- en akoestische testen uitgevoerd, gevolgd door een thermische test in vacuüm. De afnametesten worden uitgevoerd op het vluchtmodel om eventuele productie- en/of assemblagefouten op te sporen en er zeker van te zijn dat alle apparatuur goed blijft functioneren in de definitieve configuratie en geen schade oploopt tengevolge van de lancering. Deze testen betreffen eveneens de thermische en mechanische testen, zij het onder enigszins lagere belastingsniveaus.

ESTEC bezit diverse triltafels om vibratietesten uit te voeren, te weten, twee elektrodynamische tafels en een hydraulische. Daarnaast worden akoestische testen uitgevoerd in de grote akoestische testkamer.

Elektrodynamische triltafels

De 70 kN triltafel kan worden ingesteld in een verticale en horizontale configuratie en wordt veelal gebruikt voor het testen van subsystemen en kleinere satellieten. Daarnaast beschikt ESTEC over een multishaker installatie bestaande uit twee 140 kN triltafels, die afzonderlijk en ook als een gekoppelde configuratie kunnen werken d.m.v. een zogenaamde dual head expander voor het testen langs de verticale as. Voor testen in het horizontale vlak kunnen de tafels worden gekoppeld aan een sliptafel. De belangrijkste parameters die worden gemeten zijn resonantiefrequenties, vibratiemodes en versterkingsfactoren.

De tafels worden elektrisch aangedreven door twee vermogensversterkers elk met een vermogen van 192 kVA. De multishaker kan objecten testen met een massa van maximaal 4000 kg en is gemonteerd op een seismisch betonblok van 550 ton. Dit blok rust op een serie luchtkussens om de reactiekrachten op het testgebouw op te vangen en eventuele schade aan de gebouwen te voorkomen. De hydraulische triltafel HYDRA In het laatste decennium is veel onderzoek gedaan naar dynamische kwalificatie- en afnametesten van de integrale structuur van ruimtevoertuigen die met Ariane-4 of -5 draagraketten in hun baan worden gebracht.

De resultaten van dit onderzoek heeft ESTEC verwerkt in het ontwerp van de hydraulische triltafel HYDRA. Dit hydraulische testsysteem onderscheidt zich van de elektrodynamische triltafels op de volgende punten: • grotere krachten en amplitudes, • groter frequentiebereik in de lage frequenties beneden 5 Hz, • verhoogde beveiliging, • testmassa’s tot 25 ton, • simultaan testen mogelijk in zes bewegingsvrijheidsgraden. Met de HYDRA kunnen testen worden uitgevoerd met dynamische belastingen en transientvormige excitaties, gelijktijdig in zes onafhankelijke bewegingsvrijheidsgraden. Zodoende kan er worden getest in de verticale as en in het horizontale vlak met één enkele testopstelling. De grote octagonale testtafel met een spanwijdte van 5,5 meter ligt op het zelfde niveau als de omringende testvloer, zodat ook zware satellieten relatief gemakkelijk geïnstalleerd kunnen worden.

De grote akoestische kamer LEAF

De akoestische test is een essentieel onderdeel van het verificatieproces van alle ruimtevaart apparatuur. Om er zeker van te zijn dat er tijdens de lancering geen beschadigingen aan het ruimtevoertuig kunnen optreden tengevolge van akoestische belasting, wordt ook deze test zowel in de kwalificatiefase van het structureel model als in de afnamefase van het vluchtmodel uitgevoerd. De akoestische druk met zijn frequentiespectrum, die wordt veroorzaakt door de motoren van de draagraket en door de luchtstroming langs de neuskegel in het begin van zijn baan door de atmosfeer, moeten zo natuurgetrouw mogelijk worden gesimuleerd.

Hiermee is bij het ontwerp van deze testkamer verregaand rekening gehouden. Met de akoestische testkamer kan de hier geschetste situatie worden gesimuleerd, waarbij een breed bereik van geluidsniveaus en frequentiespectra ingesteld kan worden om de geluidsprofielen van de verschillende draagraketten zo realistisch mogelijk na te bootsen. Het geluidsgeneratorsysteem bestaat uit vier verschillende hoorns met lage afsnijfrequenties van 25, 35, 80 en 160 Hz. Drie hoogfrequent generatoren completeren deze apparatuur. Er kan een totaal geluidsniveau van 154,5 dBL worden bereikt en het is zelfs mogelijk dit later nog te verhogen tot 158,5 dBL. De kamer met zijn afmetingen van 9 bij 11 bij 22 meter heeft 50 cm dikke betonwanden en rust op enorme rubber blokken. Samen met een reusachtige betonnen schuifdeur van ongeveer 200 ton en een extra bemanteling met geluidsabsorberende wanden zorgt deze constructie ervoor dat er geen stoorgeluiden kunnen doordringen in de aangrenzende testhallen en de buitenomgeving.

De geluidshoorns werken op stikstofgas wat onder een druk van circa vier atmosfeer door de hoornmembranen de kamer instroomt. Hierdoor wordt de geringste demping, die door in lucht aanwezige waterdamp zou worden veroorzaakt, voorkomen, terwijl ook ‘contaminatie’ van het testobject door eventuele uchtverontreiniging wordt uitgesloten.

De grote ruimtesimulator LSS

Met de grote ruimtesimulator, Large Space Simulator (LSS), kunnen bij ESTEC de volgende testen in hoog vacuüm worden uitgevoerd: thermische testen zoals zonsimulatie, infrarood stralingstesten en testen onder temperatuur wisselingen, en mechanische testen,waaronder het openvouwen van grote structuren, dynamische balancering en vervormingmetingen in thermisch vacuüm met videogrammetrie.

De ruimtesimulator met een inhoud van 2150 m3 is opgebouwd uit een hoofdkamer in de vorm van een verticale cilinder met een hoogte van vijftien meter en een diameter van tien meter. Hieraan gekoppeld is een hulpkamer, een liggende veertien meter lange cilinder en een zonnesimulator bestaande uit een lampenhuis en een mozaïek spiegel van zes meter in diameter. De eigenlijke testruimte bevindt zich in de hoofdkamer die toegankelijk is via een deksel aan de bovenzijde en een vijf meter brede toegangsdeur aan de voorzijde op testvloer niveau. Dank zij een in de LSS opgestelde bewegingssimulator met twee rotatieassen kan het te testen object in iedere willekeurige stand worden geplaatst t.o.v. de lichtbundel. Het bewegingssysteem maakt het mogelijk om satellietbanen te simuleren met een groot bereik in omloopsnelheid en met grote precisie in hoekpositie. Het systeem bestaat uit: • een draaitafel die kan draaien om een verticale as, • een spinbox gemonteerd in een juk voor rotatie om de horizontale as, • een transmissiesysteem met slipringen voor de overdracht van data en elektrische voeding tussen het draaiende testobject en de dataverwerkingssystemen die buiten de kamer staan opgesteld.

De hulpkamer vormt de verbinding tussen de eigenlijke testruimte en de collimatorspiegel, die het gesimuleerde zonlicht afkomstig van een batterij van 19 Xenonlampen op het testobject richt in een lichtbundel van zes meter diameter. De lichtbundel bezit een zeer goede uniformiteit en stabiliteit. Een intensiteit van 1360 W/m² (gelijk aan een zonneconstante), wordt bereikt met 12 lampen met een vermogen van elk nominaal 20 kW. In de LSS kan een vacuüm worden gerealiseerd van 3.10-7 mbar, door gebruik te maken van een conventioneel vacuümpompsysteem, in combinatie met turbomoleculaire pompen en een cryopomp die werkt met vloeibaar helium. De kamer wordt weer op atmosferische druk gebracht met stikstofgas tot 100 mbar en vervolgens met schone lucht.

Cryogene panelen die bij het leegpompen worden ingeschakeld zorgen ervoor dat er geen verontreiniging neerslaat op het testobject of de optiek van de simulator. De wanden van hoofd- en hulpkamer zijn inwendig bekleed met panelen die met behulp van vloeibaar en gasvormig stikstof op temperaturen kunnen worden gehouden in een bereik van 100 tot 373 K, al naar gelang de testmodaliteit. De panelen kunnen onafhankelijk van elkaar in temperatuur worden geregeld, waardoor vele thermische profielen mogelijk zijn.

De compacte antenne testkamer (CPTR)

Voor communicatiesatellieten is het van belang te kunnen testen of de complexe zenden ontvanginstallatie voor de radioverbinding met de grondstations goed functioneert. In het verleden werden deze testen uitgevoerd in het vrije veld. Daarbij waren zender en ontvanger honderden meters van elkaar verwijderd om het elektromagnetische stralingsveld afkomstig van de antennes zo natuurgetrouw mogelijk na te bootsen. Om onafhankelijk te zijn van weersinvloeden heeft ESTEC de mogelijkheid gecreëerd om in een relatief kleine ruimte, de Compact Payload Test Range (CPTR), deze test uit te voeren. De testinrichting bestaat uit een anechoïsche kamer (16 bij 10 bij 24 meter) waarin twee speciaal ontworpen en nauwkeurig gefabriceerde reflectoren staan opgesteld.

Vanuit de zenderruimte in één van de zijwanden van de kamer wordt een stralingsveld naar de op een teststand gemonteerde satelliet gezonden via de twee grote reflectoren. Op deze wijze is men in staat bij goede benadering ter plaatse van de te testen satelliet een elektromagnetische veld met een vlak golffront te realiseren. Bovendien kunnen de antennes in de zenderruimte worden bewogen zodat de verschillende locaties van grondstations op aarde kunnen worden gesimuleerd.

Met de testkamer kunnen alle belangrijke parameters van communicatiesatellieten vrijwel volledig automatisch worden gemeten. De kamer heeft een lage polaire kruiskoppeling waardoor ook nauwkeurige metingen mogelijk zijn aan communicatiesystemen die de ontvangstfrequenties hergebruiken.

Integratie- en voorbereidingsruimten

Alle testinstallaties staan opgesteld in stofvrije ruimten van klasse 100 000 of beter, met volledig geconditioneerde lucht wat betreft vochtigheid en temperatuur. Ook binnen de testkamers wordt de lucht, waar van toepassing, volgens dezelfde maatstaven geconditioneerd. In de stofvrije integratiehallen, met een beschikbare oppervlakte van in totaal meer dan 600 m2, worden de te testen satellieten na aankomst geïntegreerd en voorbereid voor de test.

Dataverwerkingssystemen

Een zeer belangrijk onderdeel van het testcentrum zijn de dataverwerking systemen. Het testcentrum beschikt over drie onafhankelijke data acquisitie- en verwerking systemen: • een systeem voor de dataverwerking van thermische testen, • een systeem voor de verwerking van alle meetgegevens van de vibratie- en akoestische testen en • een systeem waarmee de LSS kamer wordt bewaakt en bediend.

Deze computersystemen verzamelen van iedere test in real-time, via het multiplexing principe alle signalen van de vele honderden sensoren die op de te testen satelliet zijn bevestigd. Vervolgens worden deze elektrische signalen omgezet in thermische respectievelijk mechanische meetwaarden, die het gedrag van de satelliet weergeven tijdens de test. De meetresultaten worden verwerkt tot overzichtelijke grafieken en tabellen, die voor iedere test weer anders kunnen worden gemodelleerd al naar gelang de wensen van de gebruiker.

Tenslotte worden de resultaten geanalyseerd en aan de project specifieke criteria getoetst. Met het derde computersysteem, voor de LSS, kan het bedienend personeel de installatie bedienen en de belastingen op de testkamer controleren zodat tijdig kan worden ingegrepen in eventuele extreme situaties.

Kleinere testinstallaties

ESTEC beschikt naast de voornoemde grote installaties ook over een familie van toestellen, waarmee de mechanisch-fysische grootheden van satellieten kunnen worden gemeten zoals massa, traagheidsmoment, zwaartepunt, etc. Behalve de LSS zijn er een serie kleinere vacuümkamers waarin uiteenlopende thermische condities in vacuüm kunnen worden ingesteld en waarin satelliet subsystemen kunnen worden getest.

Een andere essentiële testinrichting is de EMC kamer waarmee kan worden geverifieerd in welke mate de nuttige lading van een satelliet bestand is tegen de in de ruimte aanwezige elektromagnetische straling of straling afkomstig van andere subsystemen. Anderzijds kan ook worden gemeten of en op welk niveau straling door het te testen instrument wordt gegenereerd en schadelijk zou kunnen inwerken op andere systemen van de satelliet. Tenslotte kunnen er in de kamer ook elektrostatische ontladingstests worden uitgevoerd onder spanningen tot 30 kV waarbij wordt gemeten in welke mate deze schadelijk uitwerken op de satelliet.

Organisatie

Het zal duidelijk zijn dat voor het bedienen, onderhouden en up-to-date houden van deze complexe testinstallaties een team van technici nodig is met kennis van zaken en ervaring op dit specialistische gebied. Vanaf het eerste begin van het testcentrum werden deze taken uitgevoerd door een team van ESTEC specialisten ondersteund door een industrieel consortium. Ook een organisatie als ESTEC is gedwongen om zijn bedrijfsvoering steeds efficiënter te laten verlopen met een sterker accent op commerciële benutting van haar investeringen. Zo zal naar verwachting, in de loop van dit jaar de exploitatie en de algehele bedrijfsvoering van het ESTEC testcentrum tegen een jaarlijkse vergoeding, in handen worden gelegd van een ervaren Frans-Duits consortium in de vorm van een concessie over meerdere jaren. Dit consortium beheert ook testcentra in Frankrijk en Duitsland die meer ingericht zijn voor kleinere en middelgrote satellieten. In deze constructie blijft ESTEC, als eigenaar van het gehele testcomplex, verantwoordelijk voor het up-to-date houden van de testinstallaties door vernieuwingen en voorbereidingen. Het consortium kan het centrum optimaler gaan benutten, mede voor commerciële programma’s, naast de ESA projecten die uiteraard altijd met voorrang zullen worden behandeld.

Om de testinstallaties up-to-date te houden ten aanzien van de veranderende en steeds stringentere eisen die door moderne satellieten aan de installaties worden gesteld, is vaak specialistische kennis vereist die ESTEC zelf in huis heeft in de vorm van een kleine Engineering Staff van ervaren technici. Deze staf heeft van de belangrijkste installaties in detail kennis van hun merites en is in staat aanpassingen te ontwerpen en te bouwen, die vaak nodig zijn om de zeer uiteenlopende en steeds groter wordende satellietconfiguraties te kunnen testen.

Zo is bijvoorbeeld in het verleden de bewegingssimulator voor de LSS door de engineering afdeling ontworpen en is recent een videogrammetriesysteem ontwikkeld, wat dient om met een precisie van microns, vormveranderingen in vacuüm te meten, veroorzaakt door thermische effecten die in de ruimte kunnen optreden. Als laatste maar niet minder belangrijk is er een werkplaats die de noodzakelijke ondersteuning verschaft bij het oplossen van ad hoc problemen die tijdens het testen kunnen optreden en waar ook zeer gespecialiseerd constructiewerk zoals het lassen van aluminium en roestvrijstalen structuren kan worden uitgevoerd.

De toekomst

Het ESTEC testcentrum met zijn breed scala aan grote testinstallaties samen met de aanwezigheid van vele laboratoria in vrijwel alle ruimtevaartdisciplines en de samenwerking met vele ruimtevaartspecialisten is één van de belangrijke pijlers gebleken voor het succes van ESTEC. Met haar moderne testinstallaties en de nieuwe organisatorische opzet zal dit testcentrum ongetwijfeld een belangrijke bijdrage blijven leveren aan de continuering van dit succes in de komende decennia van de 21ste eeuw.