Inertiale Systeme von LITEF: Bereit für die Zukunft

Mit der Erfindung der Trägheitsnavigation wurden Navigationssysteme verfügbar, die unabhängig von optischen und nachrichtentechnischen Verbindungen und – heute würden wir sagen: ohne GPS-Daten/Signale – Positionsdaten anboten.

Der US-Konzern Litton Industries hat diese Technologie zur Einsatz- und Serienreife entwickelt und war lange Zeit führender Hersteller solcher Systeme. Anfang der 1960er Jahre war LITEF in Freiburg die erste Firma in Europa, die diese Navigations­systeme in Serie fertigte. Konzeption und Leistung der damals für den F-104G Star­fighter hergestellten LN-3 Systeme waren so erfolgreich, dass Nachfolgesysteme für die F-4 Phantom II-Flugzeuge der deutschen Luftwaffe und später auch für das Mehrzweckkampflugzeug PA-200 Tornado entwickelt und produziert wurden.

Basierend auf diesen Erfahrungen hat LITEF weitere Generationen von Krei­seln und Beschleunigungsmessern – den entscheidenden Komponenten der Trägheitsnaviga­tion – konzipiert. In Kombination mit den ebenfalls von LITEF entwickelten Digitalrech­nern entstan­den daraus Navigations­systeme, die sowohl für gepanzerte Landfahr­zeuge, Missile- und Stabilisie­rungsanwendungen als auch für Ma­rinean­wendungen eingesetzt wurden und wer­den. Meilensteine in der Fir­menge­schichte sind auch die Entwick­lung und Produktion von Rechnern und Inertia­len Messeinheiten (IMUs) für die militä­ri­sche Luftfahrt, so z. B. für Platt­formen wie PA-200 Tornado und Eurofighter Ty­phoon.

Bereits in den 1970er Jahren beschäftigte sich Großbritannien mit einem Nachfolge­muster für die F-4 Phantom und, spätestens nach dem Erstflug der sowjetischen MiG-29 Fulcrum in den späten 70er Jahren, wurde das Projekt „European Combat Aircraft“ (auch Jäger 90, heute Eurofighter Typhoon oder EF2000 genannt) aktiviert und beschleunigt.

Bedingt durch die bewusst herbeigeführte Instabilität des EF2000 wurden auch an die Flugregelung herausfordernde Anforderungen ge­stellt. Mit dem gewonnenen Entwicklungs­auftrag für die Inertiale Messeinheit (EF IMU) in den 1990er Jahren nahm LITEF die Her­ausforderung an und lieferte einige Jahre später dieses höchst innovative System.

Die EF IMU ist der primäre Sensor des Flugregelungssystems und liefert primär Dreh­raten und Beschleunigungen und, als Sekundärfunktion, die Ausgabe von abgeleiteten Wer­ten wie Kurs und Lage im Raum, die zum Manövrieren und maßgeblich zum Sta­bili­sie­ren des EF2000 benötigt werden. Da es sich bei der EF IMU um ein flugkriti­sches System handelt, galten bereits in der Entwicklungsphase die höchsten Normen und Standards. Das System muss in einem Temperaturbereich von -40 bis 70 Grad Celsius fehlerlos funktionieren, G-Belastungen von über 12g aushal­ten und nach wenigen Minuten ein­satzbereit und die Daten verfügbar sein. Auch mag­netische Felder, hohe Schock- und Vibrationsbelastungen in jeglichen Manövern des Piloten dürfen die Datenqualität der EF IMU nicht reduzieren. Um dies dauerhaft zu gewähr­leisten, wurde auf bewährte Tech­nologien und fundiertes Können gesetzt. Als Ergeb­nis sehen Sie hier eine Ein-Box-Lösung. Das System ist vierfach redundant aufge­baut, d. h. vier unabhängige Lanes (Kanäle), die elektrisch isoliert agieren, versehen mit vier Stromanschlüssen und vier Datenausgängen. Der Sensorblock besteht aus vier Krei­seln und acht Beschleunigungsmessern sowie einer sehr ausgereiften Soft­ware zur Fehlererkennung, Fehlerisolation und Fehlerkorrektur. Damit arbeitet ein sehr komple­xes und ausgereiftes System seit vielen Jahren zuver­lässig im Eurofighter Ty­phoon.

Auch im Bereich der Stabilisierungs- und Missile-Anwendungen kann LITEF auf lang­jährige Er­fahrung zurückgreifen. Die eingesetz­ten faseroptischen Sensoren und Iner­tialen Messeinheiten (IMUs) sind frei von beweglichen Teilen und damit un­empfindlich gegen Schock und hohe Vibrationsbelastungen. Die damit ver­bundenen Vorteile füh­ren zu Anwen­dungen für militärische Waffenstatio­nen, Stabilisierung von Optiken, An­ten­nen und Radarsystemen sowie in Missiles und modernsten Lenkflug­körpern für diverse Missionsanforderun­gen. Die hohe Zuver­lässigkeit und Wartungs­freiheit der LITEF-Produkte bieten darüber hinaus geringe Lebenszykluskos­ten für den Nutzer. Zukünftige Produkte wer­den durch MEMS- basierte Sensoren und IMUs in variablen Genauigkei­ten ergänzt.

Aufgrund der Weiterentwicklung der FOG- und MEMS-Technologien kann LITEF heute auch Inertial­referenz­syste­me für die Luftfahrt an­bieten, die sich durch niedriges Ge­wicht, geringes Vo­lumen und ge­ringe Verlustleistung bei hoher Genau­igkeit der Sen­sorda­ten auszeichnen. Darüber hinaus bie­ten diese Kurs-/La­gereferenz- und Na­vi­ga­ti­onssysteme eine hervorra­gende Zu­verlässigkeit so­wie die Mög­lichkeit, mit Hilfe von exter­nen GNSS-Empfängerdaten „hybride“ Positions- und Lageinformation mit ho­her Band­breite und geringem Rau­schen für Na­vigation und Flugregelung zur Verfü­gung zu stellen.

Die Kombination der Expertisen aus 30 Jahren ziviler Luftfahrt und sechs Dekaden militärischer Luftfahrt ist eine solide Basis, die es LITEF ermöglicht, innovative Lösun­gen für zukünftige au­tonome unbemannte und bemannte Plattformen zu entwickeln und dabei eine noch breitere technologische Bandbreite abzudecken.

In den Laboren von LITEF arbeiten die Entwicklungsteams an der Weiterent­wick­lung der Basistech­nologien und an neuen Produkten. Ak­tu­ell liegt der Fo­kus z. B. da­rauf, die Ge­nauig­keit der µIMU – einer auf mikro­elektromecha­ni­schen Senso­ren ba­sieren­den IMU mit einer Ge­nauigkeit von etwa 3°/h (Krei­sel) – schritt­weise zu er­hö­hen. Gleich­zeitig sollen Form­faktor und Leistungs­aufnahme deutlich reduziert werden. Während die aktuelle MEMS-IMU noch ein Vo­lumen von etwa 340 cm³ aufweist, wird die nächste Genera­tion von MEMS-IMUs ein Volumen in der Größenord­nung von nur noch ca. 100 cm³ auf­weisen und gleichzeitig Sensoren bein­halten, deren Kreisel einen Offsetfeh­ler von weniger als 1°/h haben. Damit er­öffnen sich für die MEMS-Technologie an­spruchsvol­lere An­wendungen, die der­zeit noch von fa­ser­optischen Krei­seln (FOGs) do­miniert werden. In einem ersten Schritt ent­wickelt LITEF einach­sige, robuste MEMS-basierte Kreisel in die­ser Ge­nauigkeits­klasse. Die er­for­derliche Tech­nolo­gie ist bei LITEF ver­fügbar und wird derzeit unter an­spruchs­vollsten Um­welt­bedingungen getestet und in die Serienreife über­führt.

Mit der übernächsten Generation von MEMS-Kreiseln wird man bereits navigieren kön­nen. Die MEMS-Tech­nologie wird somit zum Enabler für kleine, autonome Flugan­wen­dungen. Um dieses ehrgeizige Ziel erreichen zu können, werden MEMS-Kreisel not­wen­dig sein, die ein Höchstmaß an innerer Symmetrie aufweisen. Zusätzlich ­müs­sen die im Sensor durch die Genauig­keit des Herstellprozesses naturgemäß vorhande­nen Asymmet­rien kompensiert werden.

Unabhängig von der jeweiligen Anwendung sind alle bei LITEF entwickelten und ge­fertigten Sys­teme ITAR-frei und zeichnen sich durch hohe Zuverlässigkeit und Robust­heit auch bei extremen Umwelt- und Missionsbedingungen aus.