Uzay Teleskobu Bileşenlerinde Titreşim Ölçümleri ve Modal Analiz

Halen yapım aşamasında olan ve 2027 yılında tamamlanması planlanan Avrupa Güney Gözlemevi’nin (ESO) Olağanüstü Büyük Teleskobu (ELT) dünyanın en büyük optik ve yakın kızılötesi teleskobu olacak. Montaj sırasında, yüksek performanslı teleskobun her bir bileşeninin astronomik gözlemlerin kalitesini etkileyebilecek olası bozulmalara karşı incelenmesi önemlidir. Dewesoft, ELT’nin her bir parçasının yüksek hassasiyetli titreşim ölçümleri ve modal analizi ile görünür evrenin sınırının gelecekte sorunsuz bir şekilde görüntülenmesini garanti altına almaya yardımcı oluyor.

Şekil 1 Olağanüstü Büyük Teleskop (ELT)

Avrupa Güney Gözlemevi 1962 yılında kurulan ve 16 üye devlet,- Avusturya, Belçika, Çek Cumhuriyeti, Danimarka, Finlandiya, Fransa, Almanya, İrlanda, İtalya, Hollanda, Polonya, Portekiz, İspanya, İsveç, İsviçre ve Birleşik Krallık – ev sahibi ülke Şili ve stratejik ortaklar tarafından desteklenen hükümetler arası bir kuruluştur.

 

ESO’nun merkezi, Almanya’da Münih yakınlarındaki Garching’de yer almaktadır ancak ESO 30’dan fazla ülkeden 750’den fazla personeli ve dünya çapında sayısız işbirlikçiyi bir araya getirerek 130’dan fazla farklı ülkeden 22.000’den fazla kullanıcıya teknoloji ve verilerle hizmet vermektedir.

Şekil 2 Rijit bir optik masa üzerinde cryocooler ile ölçüm

ESO ve ELT için Dewesoft, pompalar, fanlar gibi aktif ELT bileşenlerinin titreşim analizi ve ayna desteklerinin modal analizi için özel ölçüm verisi toplama ve veri değerlendirme prosedürleri uygulamıştır.

 

Dewesoft, dünyanın en gelişmiş laboratuvarlarında kullanılan çok yönlü ve kullanımı kolay veri toplama, test ve ölçüm cihazları tasarlamakta ve üretmektedir. Bu proje için sağlanan ölçüm ekipmanları şunları içermektedir:

Donanım

• 1x SIRIUSie – 8 kanallı izole SIRIUS Yüksek hızlı EtherCAT cihazı
• 1x DS-IS-20 – Harici amplifikatörlü 20 N atalet sarsıcı
• 1x DS-IS-IS-10 – Harici amplifikatörlü 10 N atalet sarsıcı
• Çok eksenli ivmeölçerler
• Darbe çekici

Yazılım

• DewesoftX – veri toplama (DAQ) yazılımı
• DEWESOFT-OPT-MODAL-TEST – Modal test eklentisi (frekans yanıtı fonksiyonu)
• DEWESOFT-PLUGIN-MODAL-ANALYSIS – Modal analiz eklentisi
• DEWESOFT-OPT-FFT-ANALYSER – Dewesoft FFT Analyzer eklentisi/frekans alanı
• DEWESOFT-OPT-C++-SCRIPT – Dewesoft C++ komut dosyası
• DEWESOFT-OPT-FG-MUL – Çok kanallı fonksiyon üreteci(function generator)

Bu uygulamada, uygulanan yöntemler kontrol mühendisliği, mekanik ve yapısal dinamik alanlarında çalışan ESO mühendisleri ve teknisyenlerinden oluşan disiplinler arası bir ekip tarafından geliştirilmiştir. Sonlu elemanlar yöntemi (FEM) kullanılarak yapılan titreşim davranışı hesaplamaları, gerçek bileşenlerin metrolojik analizinin temelini oluşturmaktadır.

 

Hem titreşim ölçümlerinde hem de modal analizde, çalışma ekibi ilk olarak ilgili görevi bir dinamik teori modeli kullanarak incelemiş ve buradan bir ölçüm stratejisi elde etmiştir. Gerçek ölçümlerden önce, beklenen sistem davranışı yapısal mekanik ile simüle edilmiş ve buna dayalı olarak referans değerler ve bileşen toleransları tanımlanmıştır.

Şekil 3 Dewesoft SIRIUS modüler veri toplama sistemi ile titreşim ölçümleri için sistemin ESO’da laboratuvar kurulumu

 

Görünür Evrenin Sınırlarını Görebilmek

ELT gelecekte astronomi alanında üst düzey Avrupa araştırmaları için kullanılacak. ELT’nin kurulacağı yer Şili’nin Atacama Çölü’nde 3,060 metre (10,040 feet) yüksekliğinde bir dağ olan Cerro Armazones.

Dev teleskop evrenle ilgili çözülmemiş pek çok sorunun yanıtlanmasına yardımcı olacaktır. Birincil aynasıyla – 39 metre çapında ve 798 altıgen ayna elemanından oluşuyor – bugün var olan en büyük optik teleskoplardan 13 kat daha fazla ışık toplayabilir. Hubble Uzay Teleskobundan 16 kat daha keskin görüntüler sağlayacaktır.

Araştırma açısından bakıldığında, temel fizikten kozmolojiye kadar çok çeşitli konulardaki çalışmaları destekleyecektir. Teleskop, güneş sistemimizin yanı sıra güneş dışı gezegenleri, yakın galaksileri veya görünür evrenin sınırlarındaki uzak gözlemlenebilir nesneleri gözlemleyecektir.

 

Modern bir yüksek performanslı teleskop olarak teleskop bileşenlerinin en küçük hareketlerinin bile rahatsız edici olduğu görülebilir ve kızılötesi frekans spektrumunda uzayı gözlemler. Birkaç nanometre aralığındaki hareketler bile gözlem ve görüntü kalitesi üzerinde büyük bir etkiye sahip olabilir. Bu nedenle ELT mekaniği ve bileşenlerinden çok yüksek düzeyde kalite beklenmektedir.

Şekil 4 DewesoftX yazılımı ile ölçülen titreşim verilerinin tipik bir değerlendirmesi

Kesintileri Önlemek İçin Önleyici Analiz

Ön testlerin arka planında, özellikle büyük teleskoplarda, olası bir arıza nedeniyle performansta düşüşe yol açabilecek kritik bileşenlerin sayısının çok yüksek olması yatmaktadır. Buna ek olarak, kurulu durumdaki özel testler, sistemin karmaşıklığı nedeniyle genellikle gerçekleştirilemez veya en azından kolayca yapılamaz.

 

Sonuçta, sonradan yapılacak düzeltmeler, sadece bileşen sayısı nedeniyle devreye almada büyük gecikmelere yol açacaktır. Dewesoft ölçüm teknolojisi, proje boyunca ve bileşenler ELT’ye monte edilmeden önce prototipler veya son ürünler üzerinde potansiyel bozulma değişkenlerini – bunların nedenlerini ve etkilerini – kontrol etmeyi mümkün kılar.

Şekil 5 Kinematik ayna destekleri, kuvvet uyarma sinyallerinin hem konumunun hem de yönünün değiştirilmesine olanak tanıyan bir DS-IS-20 ataletsel sarsıcılar ile uyarılır.

Titreşim Ölçümü: Dolaylı Olarak Kaydedilen Kuvvetler

Pompalar veya fanlar gibi aktif bileşenler, tüm sistemde salınımları ve titreşimleri tetikleyen ve ELT’nin gözlem kalitesini bozan dinamik kuvvetlere neden olabilir. Bu kuvvetleri ölçmek için Dewesoft şirketi, kesin olarak tanımlanmış sınır koşullarına sahip ilgili test düzenlemelerini geliştirmiş ve kurmuştur. Kuvvetler yerçekimsel kütle prensibine göre ölçülmüştür.

 

Bu test için mühendisler ve teknisyenler, sönümleme amaçlı tüm elemanlar dahil olmak üzere test sistemini kütle, sertlik ve deformasyon modları açısından bilinen dinamik özelliklere sahip ağır bir optik masaya monte ettiler. Kontrollü hava yayları ile asılı tutulan ağır masa sayesinde test nesnesi ile masa arasındaki bağlantı titreşimleri en aza indirilir ve aynı zamanda test sisteminin zemin titreşimlerinden ayrılması sağlanır.

 

Bu test prosedüründe kuvvetler masanın ivmelenmesine yol açar. Bu ivme kaydedilir ve ölçüm yazılımının ortaya çıkan kuvvetleri hesaplamasına olanak tanıyacak şekilde özel olarak ölçülür. Bu şekilde, bileşen seviyesindeki titreşim ölçüm noktaları, tüm bileşenler genel sisteme monte edildiğinde ve ölçümler ve düzeltme çalışmaları için erişilmesi çok zor olduğunda değil, ihtiyaç duyulan iyileştirmelerin erken bir aşamada belirlenmesini mümkün kılar.

Şekil 6 ELT’nin ana aynası 798 hassas altıgen yansıtıcı elemandan oluşmaktadır.

Modal Analiz: Basit ve Etkili Kalite Kontrolü

ELT’nin büyük birincil aynasını oluşturan 798 altıgen ayna elemanının her biri kinematik ayna destekleri üzerine monte edilmiştir. Bunlar çok sert elemanları kaldırmak ve ayarlamak için kullanılır. Bu mekanizmanın davranışının modal analiz (sarsıcı (shaker) veya darbe çekici ile uyarma) kullanılarak dinamik olarak tanımlanması ve karakterize edilmesi gerekir.

 

Uyarma sırasında hesaplanan ve simüle edilen davranış, ölçülen gerçek modal tepki ile karşılaştırılır. Bu, ayna elemanları monte edilmeden çok önce, montaj hataları veya yapısal parçalardaki hasar (yapısal titreşim nedeniyle) hakkında sonuçlar çıkarılmasını sağlar. Teleskop çalışmaya başladığında bu tür hatalar gözlemleri etkileyebilir.

 

Modal analiz ve aynanın olası katı hareketlerinin belirlenmesi için kararlı sınır koşulları oluşturmak amacıyla çok sert bir destek yapısı tasarlanıp inşa edilmiş ve ağır bir beton zemine sabitlenmiştir. Test edilecek ayna desteğine birkaç çok eksenli ivmeölçer monte edilmiştir. Bir test nesnesinin yapısının uyarılması, bir sarsıcı yardımıyla yapılır – bu sayede uyarımın hem yeri hem de yönü değiştirilir.

Şekil 7 Ayna desteği yapısının modal analiz için kurulumu

Test düzeneğinin değerlendirme ünitesinde, titreşimler üst üste bindirilir ve güç, faz ve tutarlılık açısından değerlendirilir. Buna ek olarak; kullanılan Dewesoft ölçüm sistemi, ayna desteğini 3D modal form olarak hesaplar ve görselleştirir. Ekrandaki gösterim, bu modal analizin tipik gereksinimlerine uyarlanmıştır, bu da ölçümün kalitesi ve geçerliliğinin çok hızlı bir şekilde tanınabileceği anlamına gelir.

 

Bu şekilde, otomatik modal analiz, teleskoba monte edilmeden önce ayna desteklerinin basit ve aynı zamanda verimli bir kalite kontrolüne olanak tanır – monte edilen binlerce karmaşık bileşenin güvenilir bir kontrolünü sağlar. Bu çaba, hatalı vida bağlantıları veya hasarlı parçalar gibi görünmeyen hataları erken ve güvenilir bir şekilde tespit ederek hızlı bir şekilde sonuç verir.

Şekil 8 Kinematik ayna desteğinin titreşimlerinin gücü, fazı ve tutarlılığı değerlendirilir ve 3D modal biçimde gösterilir.

Sonuç

Hem titreşim hem de modal analizde, Dewesoft’un çözümleri simülasyonlar ve ölçümler arasında çok iyi bir eşleşme sağlamıştır. Bu, önceden yapılan teorik değerlendirmeler, test kurulumlarının dikkatli bir şekilde hazırlanması ve ölçüm sistemlerinin yüksek kalitesi ve doğruluğu sayesinde mümkün olmuştur.

 

Bu tür metrolojik yöntemler ELT ile sınırlı olmayıp, diğer araştırma ve geliştirme alanlarında da geniş bir uygulama alanı bulmaktadır. Özellikle, ortaya çıkan kuvvetlerin ölçümü, kurulum ortamlarından bağımsız olarak hassas sistem bileşenlerinin test edildiği uygulamalar için ilgi çekicidir.

 

Sönümleme elemanlarının veya fan bağlantılarının boyutlandırılması ve verimlilik ölçümü buna bir örnektir. Dewesoft’un yeni modal analiz yazılım modülleri sayesinde kullanımı çok daha esnek hale geldiğinden, bu tür modal analiz ile geniş bir uygulama yelpazesi sunmaktadır.