Flug Geschichte

Geschichte der quarzmikrowaagenentwicklung für den weltraum 

Allgemeines 

Die Entwicklung von Quarzmikrowaagen (QCMs) für die Raumfahrt begann 1966 unter dem Namen Celesco. Die Produktgruppe wurde von Telonic Berkeley und hiernach im Jahr 1985 von dem in Laguna Beach, Kalifornien ansässigen Unternehmen QCM Research aufgekauft. Die meisten des ursprünglichen Personals für Entwicklung und Herstellung der QCM Systeme blieben weiterhin involviert, einschließlich des Gründers von QCM Research, Donald Wallace, der 1966 entscheidend zu den Anfängen der QCM Entwicklung beigetragen hat. Er hat über zwanzig Jahre im ASTM E-21 Komitee für Weltraum Kontamination gedient und ist Verfasser zahlreicher Artikel zu diesem Thema sowie zum Thema QCM Technologie. Scott Wallace ist nun Präsident des Unternehmens. 

Geschichte der forschungs- und entwicklungsarbeit für qcm systeme

Das erste produzierte Celesco QCM wurde 1966 für ein Kraftfluss Experiment mit Plasmafluss gebaut, für welches Dr. David Hall der Hauptversuchsleiter bei TRW war. Wir haben bald festgestellt, das QCMs für die Feststellung eines Molekularflusses in Vakuumsystemen am Boden sowie im Weltraum benutzt werden können und begannen mit einer umfassenden Entwicklung von QCM Systemen. 

Diese erste Bestrebung resultierte in einem Kryogen Densitometer, das einen Kristall bei 20 Kelvin an Bord einer Saturnrakete benutzte, um die Dichte von N2 in extremer Höhe zu messen. 

Frühe QCM Sensorenköpfe der Modelle MK 1 bis MK 7 wurden 1971 und 1972 für NASA Marshall und McDonnell Douglas für das Skylab Programm, für ATM und AM/EREP sowie für die Air Force Satelliten und die Lockheed Missiles und Space und Aerojet Corporation entwickelt. 

Zu diesem Zeitpunkt wurde klar, dass das Konzept in mehreren Schritten verwirklicht werden musste. Zuerst musste ein Standard QCM entwickelt werden, der MK 9 QCM Sensor, mit einem Temperaturbereich von 80K bis 373K oder bis zu 10K mit einem Tieftemperatur Hybrid Chip. Im zweiten Schritt wurde eine kleinere, passive Kryogen QCM Version, die in einem Temperaturbereich von 5K bis 398K betrieben werden konnte hinzugefügt: das MK 8 QCM, Gewinner der IR-100 Auszeichnung, später unser MK 15 QCM und dann letztendlich das MK 16 CQCM. In diesem QCM, aus welchem heraus seitdem mehrere Variationen entwickelt wurden (MK 17 bis MK 19), kann die Temperatur der Kristalle mit Hilfe einer integrierten Heizung für den QTGA Modus (QCM Thermogravimetrische Analyse) erhöht werden, während das Kühlblech kalt bleibt. Drittens wurde ein thermoelektrisch gekühltes TQCM mit einen Temperaturbereich von 80K bis 373K für den Einsatz in Materiallabors oder der Raumfahrt entworfen und gebaut: das MK 10 TQCM und das MK 14 DTQCM welches für die Wärmestrahlung der Sonne undurchlässig ist. Kürzlich wurde eine neue Serie TQCMs freigegeben, die sogenannte MK20 TQCM Serie, welche ein kleineres Profil als das MK 10 und ebenso einen erweiterten Massenerkennungsbereich durch die Verwendung von 25 MHz Kristallen hat. 

Die neuesten Ergänzungen zu unserer QCM Gruppe sind das MK 21 QCM, ein Miniatur QCM welches aus dem höchst erfolgreichen MK8 Design entwickelt wurde und das MK 22 Sonnenundurchlässigkeits QCM, welches sich zurzeit noch in der Entwicklung befindet. 

Qcm technologie

Der Schaltungsaufbau, der in den Sensorköpfen eingesetzt wird, wurde seit 1970, wo er zuerst in den Skylabflügen eingesetzt wurde, in ein TO-5 hybridisiert. Seitdem haben wir einen Kryogen Tieftemperaturchip in TO-5 Größe entwickelt, welcher bis zu einer Temperatur von 5K abkühlen kann und dabei nur 2,45mW Strom verbraucht (hilfreich, wenn ein kaltes Kühlblech nur begrenzte Zeit hat und nur eine begrenzte Kühlung zur Verfügung steht). In die Schaltung eingebunden sind zwei Oszillatoren und ein Mischer um die Kristalle anzutreiben, um so die beiden Frequenzen zu kombinieren und um schließlich eine Überlagerungsfrequenz zu erhalten die dann die Masse angibt, die dem Fühlerkristall hinzugefügt oder abgezogen wurde. Der Hybrid Chip ist für eine Raumfahrtumgebung qualifiziert und hat sich im Weltraum erfolgreich bewährt; zum Beispiel durch eine durchgehende Periode von sechs Jahren mit den LDEF QCMs. 

Gegenwärtige lage

Für die Raumfahrt können wir unsere Standard und Tieftemperatur MK 9 QCMs, unser MK 10 TQCM, unsere MK 16, 17, 18 und 19 CQCMs mit einer Vorrichtung für eine QTGA Analyse und unsere MK 14 DTQCMs, die für die Wärmestrahlung der Sonne undurchlässig sind liefern. Obwohl sie noch keine Vorgeschichte in der Raumfahrt haben, wurden unsere neu entwickelten MK 20, MK 21 und MK 22 nach gut bewährten Raumfahrtstandards entworfen. 

Wir bieten Ihnen eine Flug Elektronik Einheit (FEE) an, die Daten von unabhängigen QCMs steuern und sammeln kann. Diese Einheit wurde für eine Einzelfall Verstimmung (EFV) konzipiert und um eine Einzelfall Sperrung (EFS) zu verhindern. Die zugehörige Dokumentation für diese Einheit beinhaltet Vibration (zufällig und sinusförmig) Stoß, Belastung mit schwerer Strahlung, Wärmestrahlung von der Sonne, Übertragung von Schallwellen, EMC und Hitze-Kälte Wechsel. Die Ausleserate und die Schnittstelle bestimmen Sie selbst. 

Das Modell 2000 Steuer/Datensammlungsgerät (M2000) kann dazu benutzt werden bis zu zwölf QCMs in jedweder Kombination der verschiedenen Sensormodelle über den RS232 Anschluss Ihres Laborcomputers zu steuern. Unser Signalprozessor Modell 1900 und unsere Thermische Steuereinheit Modell 1800 die das MK 10 und die MK 14 TQCMs steuern, sind verfügbar für Kunden mit einem Einzel QCM Bedarf. 

Ebenso können wir ihnen die Unterdruck Kinetik Apparatur für Ausgasung/Ablagerung (Vacuum Outgassing/Deposition Kinetics Apparatus – VODKA™) als schlüsselfertige Einheit anbieten. Dieser Hochvakuumapparat hat drei oder vier MK 18 QCMs, eine Effusionszelle und optional einen Massenspektrometer und Kryptonlampen, welche als Temperaturfunktion benutzt werden um die verschiedenen Ausgasungsprodukte eines Probematerials, das für den Weltraumgebrauch vorgesehen ist zu charakterisieren. Dieser Apparat ist in Übereinstimmung mit der ASTM E 1559-93, welches die ASTM E595 ergänzt. 

Für jene Kunden, die eine höhere Massenempfindlichkeit benötigen und dennoch nicht auf die Beständigkeit und bewährte Technologie der QCM Research QCM Sensoren verzichten wollen, stellen wir nun höhere Frequenzen zur Verfügung. Standardfrequenzen sind nun 3, 5, 10, 15 und 25 MHz. Benutzerdefinierte Projekte können Frequenzen von 100 MHz aufwärts benutzen. 

Raumfahrtgeschichte der qcm systeme

Nach den Erstmodellen der Raumfahrt QCMs war 1977 unser nächstes Engagement unsere erfolgreiche Rolle in der Entwicklung der Ariane Trägerrakete indem wir CNES (Frankreich) und Aeritalia (Italien) mit unseren MK 9 QCMs belieferten. 

Wir waren die Mitforscher zusammen mit Dr. R. Schall und Dr. E. Borson von Aerospace und lieferten die MK9 QCMs sowie die Flugelektronik für die LDEF Mission, die 1978 mit dem Space Shuttle gestartet wurde. Ebenso haben wir QCM Systeme für denselben LDEF Flug an MBB Deutschland geliefert.  Für dieses Experiment wirkte ein atomarer Sauerstofffluss auf zwei Spitzen QCMs ein, deren Kristalle mit Zinksulfid und Indium Oxid überzogen waren, während identische QCMs von diesem Fluss abgeschirmt waren. Wir haben einen sechsjährigen Datenberg von diesem Flug den wir zurzeit auswerten. 

1978 lieferten wir zwei MK 10 TQCMs und einen Signalprozessor, die in das Ionenantrieb Experiment von Hughes Aircraft Company an Bord des P-80 Satelliten integriert waren sowie zwei MK 10 TQCMs und eine Flug Elektronik Einheit für das IAPS P-80 Experiment von Hughes Space und Communications Division. 

1981 sicherte sich die Europäische Raumfahrtbehörde vertraglich drei MK 9 QCMs für dem ECS-1 Flug. 

1984 wollte Dornier Aircraft Co. gänzlich Kontrolle über die Kontamination ihres Rosat IR Satelliten bekommen. Unsere QCMs mussten ununterbrochen nach jedweder Kontamination suchen, von der ersten Fertigung des Teleskops bis hin zum Zusammenbau, der Einrichtung und der Installation in den Satelliten und schließlich die On-bord Überwachung über den gesamten Flug hinweg. 

Durch einen zweiten Vertrag mit Hughes SCD lieferten wir 1988 vier MK 10 TQCM und eine Flug Elektronik Einheit  für den MMB2 Air Force Satelliten. 

Die Kanadische Raumfahrtbehörde (CSA) installierte zwei MK 16 CQCMs auf den Endeffektor (Hand) des Fern-Manipulator Systems (arm) an Bord des Shuttle Fluges STS-52 sowie mehrerer Folgeflüge. Die QCMs hatten eine Materialschicht auf der Oberfläche abgelagert, die empfindlich auf die Gegenwart von atomarem Sauerstoff (O) reagierte, so dass die höchst reduzierende Atmosphäre tatsächlich das abgelagerte Material abätzte und somit die Überlagerungsfrequenz absenkte.  Als CSA beschloss, dass das Experiment abgeschlossen sei, wies NASA Johnson die Astronauten an, die Region zu erkunden, damit der Arm Kontamination aufnehmen konnte, besonders in der Umgebung der Abluftfahne. 1995, auf einem Folgeflug (STS-74) wurde die gleiche Konfiguration benutzt als sich das Shuttle nahe an den russischen 13 kg Höhenkontroll- und  Auftriebstrahlrudern der MIR Raumstation positionierte, um die QCMs nach flüchtiger und beständiger Oberflächenkontamination suchen zu lassen. NASA benutzt auch weiterhin die QCMs auf dem Arm, um auf ihren Space Shuttle Flügen die Erosionsraten durch atomaren Sauerstoff zu messen. 

1993 lieferten wir vier MK 10 TQCMs, ein MK 16 CQCM (für QTGA) und eine Flug Elektronik Einheit an die Labore für angewandte Physik der Johns Hopkins Universität für den Einsatz auf dem Spirit III Satelliten, genannt das MSX Experiment, welches 1996 gestartet wurde. 

Im selben Jahr erfüllten wir einen Vertrag mit TRW durch den wir vier MK 10 TQCM und eine Flug Elektronik Einheit lieferten, die im Frühjahr 1994 fliegen sollten. Jetzt ist der Start allerdings auf einen späteren Zeitpunkt verlegt worden.  Der besagte Flug ist der US Air Force Plasma Jetflug, ein Experiment für elektrischen Raumantrieb (ESEX). 

Wir lieferten 1994 bis 1997 die MK 17 CQCMs für das Space Active Modular Materials Experiment (SAMMES). Dies wird letzten Endes dazu führen, das zwölf modulare Kontaminationseinheiten an jedwedes zur Verfügung stehende Shuttle angebracht werden können und günstigen und häufigen Weltraumzugriff für das orbitale Testen von Materialien erlaubt. 

T&M Engineering, in Zusammenarbeit mit der ESA verbauten 1995 zwei unserer MK 19 CQCMs auf dem Kristallmodul der russischen MIR Station um die Kontamination zu überwachen. Die Flug Elektronik Einheit basiert auf unserem Standard M2000 Steuergerät. 

Wir haben MK 9 QCMs an Dornier für ESAs Ariane 5 Projekt geliefert, welches 1996 und 1997 gestartet wurde. Diese, sowie alle nachfolgenden Flüge werden QCMs mit sich führen, die im Nutzbereich sowie an der Außenhaut angebracht sind.

Auf dem jüngsten interplanetarischen Flugprojekt ist das NASA Pathfinder Raumfahrzeug, der Mars Rover mit einem MK 19 CQCM bestückt mit dem gleichen Sichtfeld wie das Solarpaneel. Das QCM hat einen dünnen Film “klebrigen” Polymers auf der Oberfläche, um kleine Staubpartikel, die auf dem Sonnenkollektor landen zu sammeln und zu messen. 

Für den bevorstehenden Ariane/ STENTOR Flug liefern wir die Aerospatiale mit zwei individuell angefertigten MK 17 CQCMs die dazu benutzt werden, die Erosionsrate von ausgesuchten Materialien zu messen, die auf die Kristalle der QCMs aufgebracht wurden und die durch das Ionenstrahlruder beeinflusst wurden.

Wir werden auch bei anderen zukünftigen Flügen mit dabei sein, wie z.B. Mighty SAT 2 mit Edwards AFB sowie bei Projekten von Boeing, NASA MSFC und anderen.   

Zusätzlich zu den Raumfahrtsystemen haben wir unsere Kunden überall in der Welt mit einer weitgefächerten Auswahl an QCM Systemen für Bodeneinrichtungen und Experimenten beliefert. 

QCM RESEARCH ist ein auf individuell angepasste QCM Systeme spezialisiertes mittelständisches Unternehmen und als solches sind wir bereit, auf Ihre QCM Bedürfnisse zu antworten.