Nutzlast- und Sensortests in der Strömung: Kameras, Lidar und Antennen unter Belastung

Eine Kamera, die auf dem Laborprüfstand ein scharfes Bild liefert, liefert nicht automatisch auch dann ein scharfes Bild, wenn sie bei hoher Geschwindigkeit unter ein Flugzeug geschraubt ist. Das Gleiche gilt für eine Antenne, die ihren Link-Budget-Test auf einem statischen Messgelände besteht, oder für einen Gimbal, der die Sichtlinie in einem vibrationsfreien Raum stabil hält. Die Strömung um die Flugzeugzelle ist kein neutraler Hintergrund – sie beeinträchtigt genau die Leistung, für die die Nutzlast angeschafft wurde, und zwar auf eine Art und Weise, die sich bei Prüfstandstests nicht reproduzieren lässt.

Nutzlast- und Sensortests in der Strömung schließen diese Lücke, bevor sie sich bei einem echten Einsatz in Form von unscharfen Bildern oder Verbindungsabbrüchen bemerkbar macht.

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1. Warum der Prüfstand nicht ausreicht

Die eigene Qualifizierung eines Nutzlastherstellers deckt in der Regel die elektrische Leistung, die optische Auflösung und die mechanische Haltbarkeit isoliert ab. Was sie typischerweise nicht abdecken kann, ist das, was passiert, wenn sich dieselbe Hardware in der turbulenten Grenzschicht eines Flugzeugs oder im Nachlauf einer Verkleidung befindet, bei dem Schwingungsspektrum, das die Zelle tatsächlich erzeugt, und in dem Temperaturbereich, in dem die Mission tatsächlich geflogen wird. Dies sind Bedingungen auf Flugwerksebene, und sie treten erst auf, wenn die Nutzlast an dem Trägergerät montiert ist – oder in diesem repräsentiert wird –, mit dem sie tatsächlich fliegen wird.

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2. Aero-optische Unschärfe: Turbulenz beeinträchtigt das Bild, nicht nur die Zelle

Für jede Kamera, jedes Lidar- oder Lasersystem, das durch die umgebende Luftströmung blickt, ist die Aero-Optik die relevante Physik – ein Forschungsgebiet, das bis in die 1950er Jahre zurückreicht, als Forscher erstmals quantifizierten, wie eine turbulente Grenzschicht einen durch sie hindurchtretenden Lichtstrahl verzerrt. Der Mechanismus ist einfach: Turbulenz erzeugt lokale Schwankungen der Luftdichte, Dichteschwankungen verändern den lokalen Brechungsindex, und eine Wellenfront, die dieses Feld mit variablem Index durchläuft, tritt eher verzerrt als flach aus.

Der Effekt ist wellenlängenabhängig und für moderne Sensoren von größerer Bedeutung als für die Systeme, für die dieses Feld ursprünglich entwickelt wurde. Bei einem festen Grad an optischer Pfadverzerrung verliert ein System, das sichtbares oder nahes Infrarotlicht verwendet (der Bereich, den die meisten Kameras und viele Lidars nutzen), weitaus mehr Bildqualität als ein älteres langwelliges System bei demselben Turbulenzniveau – ein Verzerrungsgrad, der die Leistung eines 10,6 μm-Lasers kaum beeinträchtigte, kann das Strehl-Verhältnis (ein Standardmaß für die Bildschärfe, bei dem 1,0 perfekt ist) eines Nahinfrarotsystems von nahezu perfekt auf etwa 0,67 reduzieren. Dies ist ein Grund, warum die aerodynamische Formgebung und die Montageposition eines Sensor-Pods genauso wichtig sind wie die darin befindliche Optik.

Windkanaltests aero-optischer Effekte sind eine etablierte, jahrzehntealte Praxis, die in gewöhnlichen Unterschall- und Transschall-Windkanälen mit laserbasierter Messtechnik (der „Malley-Sonden“-Technik) durchgeführt wird, um genau diese Art der durch die Grenzschicht induzierten Bildverschlechterung zu messen, bevor ein Sensor jemals fliegt.

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3. Was die Strömung mit dem Rest der Nutzlast macht

• Vibrationen. Ein Gimbal oder eine Kamerahalterung ist dem realen Schwingungsspektrum der Flugzeugzelle ausgesetzt, nicht dem idealisierten Durchlauf eines Labor-Rütteltisches – und Gimbal-Stabilisierungssysteme sind speziell darauf abgestimmt, Schwingungen bei bestimmten Frequenzen zu unterdrücken, was sich nur unter der tatsächlichen Anregung der Zelle korrekt zeigt.
• Erwärmung. Sensorelektronik im Inneren eines Pods oder einer Verkleidung erzeugt eigene Wärme, und die Luftströmung um das Gehäuse bestimmt, ob diese Wärme abgeführt wird oder sich staut – ein Problem, das sich zwischen einem statischen Prüfstand und einer Umgebung mit bewegter Luftströmung völlig verändert.
• Vereisung am Sensor selbst, nicht nur an der Zelle. Ein optisches Fenster oder ein Antennen-Radom, das vereist, fällt lange vor der Tragfläche aus, und das Anlagerungsmuster hängt von der lokalen Strömung um diese spezifische Verkleidungsform ab.
• Verkleidungsform versus Signalqualität. Ein Radom oder eine optische Kuppel ist ein Kompromiss zwischen aerodynamischem Widerstand und Transparenz für das, was sie schützt – ist die Form aerodynamisch falsch, wird auch der HF- oder optische Pfad durch sie hindurch verzerrt.

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4. Was eine Nutzlast-Testkampagne tatsächlich misst

• Bild- oder Wellenfrontqualität über den gesamten Geschwindigkeits- und Winkelbereich , unter Verwendung derselben aero-optischen Messtechnik, die für luftgestützte optische Systeme entwickelt wurde – nicht nur eine einzelne statische Basisaufnahme.
• Schwingungsspektrum an der Sensorhalterung unter realer Anregung der Zelle, verglichen mit der eigenen Unterdrückungsbandbreite des Gimbals oder Stabilisierungssystems.
• Link-Budget oder optischer Durchsatz durch die tatsächliche Verkleidung , nicht durch eine bloße Apertur – das Gehäuse ist Teil des optischen oder HF-Pfads des Sensors, nicht nur eine Abdeckung.
• Thermisches Verhalten der eingeschlossenen Elektronik unter repräsentativer Luftströmung, nicht in ruhender Luft.
• Eisansatz an der spezifischen Verkleidungsgeometrie , sofern für den Einsatzbereich relevant.

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5. Fünf Fehler, die wir häufig sehen

• Getrennte Qualifizierung von Sensor und Verkleidung. Ein Radom oder eine optische Kuppel, die ohne Berücksichtigung des tatsächlichen Sichtfelds und der Wellenlänge des Sensors entworfen wurde, kann ihren eigenen aerodynamischen Test bestehen und dennoch die Leistung der Nutzlast ruinieren.
• Testen der Schwingungsunterdrückung mit einem generischen Rüttlerprofil. Ein Gimbal, der auf ein Labor-Schwingungsspektrum abgestimmt ist, kann dennoch durch die spezifischen Frequenzen, die die reale Zelle erzeugt, aus dem Konzept gebracht werden.
• Behandlung optischer Tests als reines Prüfstandsproblem. Auflösungs- und MTF-Werte von einem Laborprüfstand sagen nichts darüber aus, was dieselbe Optik hinter einer turbulenten Grenzschicht bei Fluggeschwindigkeit leistet.
• Dimensionierung des Gehäuses nach Gewicht und Luftwiderstand, nicht nach Wärmepfad. Ein eng verkleideter Pod, der aerodynamisch sauber aussieht, kann Wärme stauen, für die die Elektronik im Inneren nie ausgelegt war.
• Auslassen von Vereisungstests an Nutzlastverkleidungen, weil der Vereisungsfall der Zelle abgedeckt ist. Ein Radom oder ein optisches Fenster kann anders vereisen als die Tragfläche, an der es montiert ist, und zwar so unterschiedlich, dass es zuerst ausfällt.

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6. Was dies für Ihr Integrationsprogramm bedeutet

Senden Sie uns Ihr Sensorpaket, Ihre Verkleidungsgeometrie und Ihren Einsatzbereich , und wir konzipieren eine Testkampagne, die misst, was die Nutzlast tatsächlich in der Strömung leistet – nicht nur auf dem Prüfstand. Weiterführende Lektüre:

UAV-Vereisungs- und Klimatests

, bei denen die Form einer Verkleidung eine ebenso große Rolle spielt.

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Quellen und Anmerkungen

• Aero-Optik als Untersuchung von Wellenfrontaberrationen durch turbulente Strömungen in der Nähe einer flugzeuggestützten optischen Apertur, ihr Ursprung in Liepmanns Arbeiten zur Lichtablenkung in der Grenzschicht von 1952 und ihre Entwicklung durch Malley-Sonden-Windkanalmessungen bei Unterschall- und Transschallgeschwindigkeiten: Cress, J.A., Gordeyev, S., Post, M.L., Jumper, E.J., „Aero-Optical Measurements in a Turbulent, Subsonic Boundary Layer at Different Elevation Angles“, AIAA 2008-4214, 39th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference, 2008, getestet in Windkanälen an der University of Notre Dame und der U.S. Air Force Academy.
• Wellenlängenabhängigkeit der Bildverschlechterung bei einer festen optischen Pfadverzerrung (Beispiel Strehl-Verhältnis: ~0,996 bei 10,6 μm gegenüber ~0,674 bei ~1 μm für denselben Verzerrungsgrad): selbe Quelle, Abschnitt Einleitung, zitiert die Formulierung des Strehl-Verhältnisses in Smith, W.J., Modern Optical Engineering, McGraw-Hill, 1966.
• Empfehlungen zur Testmethodik (Anpassung des Schwingungsspektrums, Tests des in die Verkleidung integrierten optischen/HF-Pfads, Vereisung an nutzlastspezifischer Geometrie) entsprechen der Ingenieurspraxis von TunnelTech.