Demcon industrialiseert fijnstuurspiegel voor lasersatellietcommunicatie

Nauwkeurige sturing van laserbundels bepaalt de kwaliteit en bandbreedte van lasersatellietcommunicatie, een technologie voor snel en veilig internet en dataverkeer. Cruciaal daarvoor is de fine steering mirror (FSM). TNO maakte er een uitgekiend ontwerp voor en Demcon Focal werkt nu aan de uitontwikkeling tot een industrieel product. Voor ruimtetoepassingen moet de FSM compact, lichtgewicht, schokbestendig en energie-efficiënt zijn.

Marko van Dalfsen is projectmanager en Gerard van den Eijkel business director van Demcon Focal.

7 juli

Onze digitale communicatie- en datahonger is niet te stillen. Lasersignalen zijn nodig om naar snelheden van terabits per seconde te gaan. De toekomst is daarom aan lasersatellietcommunicatie, tussen grondstations, satellieten, vliegtuigen en drones. TNO doet daar onderzoek aan in samenwerking met het FSO Instruments-consortium (FSO staat voor ‘free-space optics’) waarin industriële partners zoals Demcon Focal zijn verenigd. Hoge bandbreedte stelt hoge eisen aan de signaalverwerking in de terminals op de grond en in de lucht en atmosfeer. Een essentieel onderdeel van die terminals is de fine steering mirror (FSM, waarbij de f ook voor ‘fast’ mag staan) die de laserstralen richt. Deze fijnstuurspiegel is gekoppeld aan een coarse pointing assembly die de grove afstelling doet.

De FSM moet bij de uitlijning van zender en ontvanger een nauwkeurigheid halen in de orde van enkele microradialen. De bewegingen van de aarde en de satellieten, en de verstorende invloed van de atmosfeer maken dat tot een complexe uitdaging. De spiegel moet extreem vlak zijn (binnen 12 nanometer rms) om het golffront van de laserbundel niet te vervormen. Fouten door hoogfrequente verstoringen moet de FSM kunnen wegfilteren door met een closed-loop bandbreedte van 1 kHz te bewegen. Een belangrijke foutenbron is thermisch van aard. Actuatoren en actieve sensoren produceren onvermijdelijk warmte en die kan in een constructie leiden tot spanningen en vervormingen, met name van de spiegel. Dat heeft een negatief effect op de prestaties.

TNO heeft het optomechatronische ontwerp gemaakt, met ondersteuning van Demcon Focal, dat onder meer een kwalificatieopstelling bouwde. Nauwkeurige apparaten ontwerpen en bouwen heeft immers alleen zin als hun prestaties volgens strenge testprotocollen kunnen worden gekwalificeerd. Demcon Focal heeft inmiddels het stokje overgenomen en ontwikkelt de FSM tot een industrieel product dat geschikt is voor ruimtetoepassingen.

Beheerst kantelen

De FSM bestaat uit een spiegel die via een centrale support vast is verbonden met de behuizing. Daarmee zijn twee vrijheidsgraden van de spiegel vastgelegd, de axiale translatie en de rotatie om de eigen as, terwijl een membraan/bladveer de twee laterale translaties vastlegt. Dan blijven over de tip-tilt-bewegingen, oftewel kanteling in twee richtingen, over een bereik van ±1°. De aansturing van elk van deze bewegingen gebeurt met behulp van een elektromagnetische actuator. De verjonging boven aan de support biedt voor het kantelen de benodigde flexibiliteit (zie afbeelding).

Ontwerp van de FSM in dwarsdoorsnede (de doorsnede loodrecht op het vlak van de tekening ziet er hetzelfde uit) met:
1 Spiegel (aluminium)
2 Spiegelsupport (titanium)
3 Diabolo (kobalt-ijzerlegering)
4 Spoel plus vaste magneet
5 Membraan/bladveer (verenstaal)
6 Eddy-current-sensor
7 Behuizing (staal)

Voor ruimtetoepassingen, bijvoorbeeld in een cubesat (ter grootte van een kubieke decimeter), moet de mechanische constructie lichtgewicht en compact zijn. In het huidige ontwerp is de spiegeldiameter 20 mm en het totale volume 25 mm bij 27 mm in doorsnee. Tegelijk moet het geheel robuust zijn, tegen de impact van een lancering kunnen en een lange levensduur hebben. Daaraan draagt de lagering met een bladveer bij, doordat die slijtage vermijdt. Andere kritieke aspecten van het ontwerp, naast de materiaalkeuze en de hoogdynamische besturing, waren het actuatorprincipe en de sensorkeuze. Daarbij was minimalisering van het energieverbruik en de daarmee verbonden warmteproductie een belangrijke ontwerpopgave.

Reluctantie-actuator

De actuator werkt op basis van variabele reluctantie. Dit actuatortype is efficiënter dan concurrerende alternatieven vanwege een hogere kracht/volume-ratio en kracht/energie-ratio. Anders dan de bekendere voice-coil-actuator, waarin de elektromagnetische spoel zich afzet tegen een permanente magneet, is in de variabele-reluctantie-actuator de permanente magneet juist onderdeel van het elektromagnetische circuit. De permanente magneet met z’n constante flux zorgt voor een stabiele, energieloze lagering van het spiegellichaam – de zogeheten diabolo – in z’n evenwichtsstand. Deze diabolo is van magnetisch materiaal en vast verbonden met de spiegelsupport.

De spoelen aan weerszijden van de permanente magneet worden zo aangestuurd dat er een extra flux gaat rondlopen over de diabolo die de totale flux aan één zijde versterkt en aan de andere zijde verzwakt. Daardoor treedt er een krachtsverschil op en ondervindt de diabolo een moment, waardoor deze gaat kantelen. Een tweede set spoelen is voorzien voor het kantelen van de spiegel in de richting loodrecht op de eerste set spoelen. Dit actuatorprincipe vergt zeer weinig energie, zodat het energieverbruik zeker een factor tien lager ligt dan bij een voice-coil-actuator met een vergelijkbare bandbreedte: enkele watts versus zo’n 30 W. Een secundair, niet-lineair effect is dat bij het kantelen de ene luchtspleet kleiner wordt, waardoor de magnetische kracht daar nog sterker wordt en er dus naar verhouding minder extra energie nodig is.

Eddy-current-sensoren

Capacitieve sensoren worden vaak gebruikt om (veranderingen in) kleine afstanden nauwkeurig te meten. Een belangrijk pluspunt is dat het passieve sensoren zijn, ze geen energie verbruiken en dus (nagenoeg) geen warmte produceren. Ze zijn voor onze toepassing echter niet geschikt, met name omdat de afstanden tussen het sensorvlak en het referentievlak op het bewegende spiegeldeel te groot zijn. Die liggen niet in het micrometer- maar in het millimeterbereik.

Voor productie van grote aantallen FSM’s is vereenvoudiging en automatisering van kwalificatie en assemblage vereist.

Daarom is er gekozen voor zogeheten eddy-current-sensoren. Dat zijn – een nadeel – actieve sensoren met een stroomspoel die met zijn magnetische veld een wervelstroom opwekt in het magnetische referentievlak. Een afstandsverandering beïnvloedt die wervelstroom en dat ‘voelt’ de stroomspoel. Bijkomend voordeel van eddy-current-sensoren is dat ze een hogere resolutie hebben. In de markt zijn verschillende types beschikbaar. De keuze is gevallen op een kosteneffectieve variant die relatief weinig stroom verbruikt en voldoende nauwkeurig is.

Koperen straps

Om thermische effecten tegen te gaan, zijn meerdere maatregelen genomen. Zo zorgt de ophanging van de FSM in de terminal voor compensatie van de thermische fluctuaties die in de ruimte kunnen optreden. Die zijn aanzienlijk: 200 °C in het volle zonlicht tot –100 °C in de schaduw achter de aarde. Verder is de spiegel bij de verbinding met zijn support verjongd, waardoor de mechanische stress in de spiegel minder snel toeneemt bij verhoogde temperatuur. Tevens zijn gepatenteerde thermische straps – flexibele dunne strips van koper – verlijmd op de onderkant van de spiegel. Deze straps zorgen voor het snel afvoeren van de warmte die de invallende laserbundel in de spiegel brengt door absorptie (in de orde van 2 procent van het ingestraalde vermogen).

Specs aanscherpen

Assemblage van de FSM gebeurt op dit moment handmatig. Voor een kosteneffectieve en betrouwbare productie van grote aantallen is optimalisatie van het design nodig. Dat kan onder meer door het aantal lasstappen te reduceren of deze te vervangen door alternatieve manieren van fixatie. Een andere ontwerpaanpassing – op klantvraag – is het vergroten van de maximale tilt van het spiegeltje van 1° naar 2,5°. Vanwege het sterk geïntegreerde design van de FSM is zo’n wijziging niet triviaal: simpelweg het mechanische bereik aanpassen zou de levensduur van de FSM mogelijk sterk verminderen. Ook regeltechnisch ligt er een uitdaging omdat bij een grotere uitslag de niet-lineaire effecten toenemen en het risico ontstaat dat het spiegeltje in zijn uiterste stand blijft ‘plakken’ aan de spoel, iets dat te allen tijde moet worden voorkomen.

Prototype van de FSM.

Tot nu toe heeft Demcon Focal meer dan tien FSM’s gebouwd, die het als demonstrators heeft geleverd aan geïnteresseerde klanten. Die partijen zijn allen actief in de lasersatellietcommunicatie. Er is echter ook al interesse uit de halfgeleiderindustrie, niet zozeer voor de spiegel als wel voor de slimme besturing. Het wachten is nu op een launching customer. Intussen levert Demcon Focal ook FSM’s aan geestelijk vader TNO, onder meer voor integratie in een cubesat die volgend jaar wordt gelanceerd.