Testumgebungen in der Luft- und Raumfahrt erfordern Druckdaten, die extremen Temperaturen, schnellen Druckänderungen und lang andauernden Schwingungszyklen standhalten. Ein einziger Messfehler während eines Triebwerkstests oder einer Flugvalidierungskampagne kann Daten aus mehreren Wochen ungültig machen und den Zeitplan eines Programms verzögern.
Dieser Artikel erläutert, wie Drucksensoren für die Luft- und Raumfahrt ausgewählt und in Präzisionsprüfständen sowie Flugtestprogrammen eingesetzt werden. Sie erfahren, welche Faktoren die Sensordrift beeinflussen, wie Kalibrierungsverfahren die Messintegrität gewährleisten und welche Auswahlkriterien für die Langzeitstabilität am wichtigsten sind.
STS Sensors bietet hochpräzise Druckmesstechnik, die speziell auf die anspruchsvollen Bedingungen von Luft- und Raumfahrt-Tests zugeschnitten ist – von der Validierung von Turbopumpen bis zur Überwachung des Kabinendrucks.
Das Wichtigste auf einen Blick: Drucksensoren für die Luft- und Raumfahrt bei Präzisionstests
- Drucksensoren für die Luft- und Raumfahrt wandeln physikalischen Druck in elektrische Signale um und kommen dabei in sicherheitskritischen Test- und Fluganwendungen zum Einsatz.
- Sensordrift entsteht durch mechanische Ermüdung, Temperaturwechselbeanspruchung und elektronische Alterung im Laufe der Zeit.
- Kalibrierungsintervalle und Temperaturkompensation sind unerlässlich, um die Messgenauigkeit über gesamte Testkampagnen hinweg aufrechtzuerhalten.
- STS Sensors bietet anpassbare, piezoresistive Drucksensoren an, die für eine Genauigkeit von bis zu 0,05 % FS in Luft- und Raumfahrtumgebungen ausgelegt sind.
- Die Wahl des Materials, die Ansprechzeit und die Kompatibilität des Ausgangssignals bestimmen, ob ein Sensor für eine bestimmte Testanwendung geeignet ist.
Was sind Drucksensoren für die Luft- und Raumfahrt?
Drucksensoren für die Luft- und Raumfahrt sind Messgeräte, die Gas- oder Flüssigkeitsdruck in ein elektrisches Signal umwandeln. In der Luft- und Raumfahrt überwachen diese Sensoren Kraftstoffleitungen, Hydrauliksysteme, Kabinenbedingungen und Leistungsparameter der Triebwerke sowohl bei Bodentests als auch im Flug.
Im Gegensatz zu allgemeinen Industriesensoren müssen Varianten für die Luft- und Raumfahrt unter Bedingungen wie starken Temperaturschwankungen, hochfrequenten Vibrationen und dem Kontakt mit aggressiven Medien zuverlässig funktionieren. Piezoresistive Sensorelemente werden in diesen Anwendungen häufig eingesetzt, da sie schnelle Ansprechzeiten und eine hohe Auflösung über breite Druckbereiche bieten.
Das elektrische Ausgangssignal dieser Sensoren – typischerweise 4–20 mA oder mV – wird direkt in Datenerfassungssysteme für Testdaten eingespeist. Genaue, wiederholbare Daten in dieser Phase entscheiden darüber, ob eine Testkampagne gültig ist oder wiederholt werden muss.
Warum erfordern Prüfstände und Flugtests hochpräzise Druckmessungen?
Prüfstände simulieren die Betriebsbedingungen, denen ein Triebwerk, eine Turbopumpe oder ein Hydrauliksystem im Einsatz ausgesetzt ist. Die während dieser Tests erfassten Druckdaten fließen in Konstruktionsentscheidungen ein, validieren Sicherheitsmargen und bestätigen die Einhaltung von Qualifizierungsstandards.
Bei Flugtests überwachen Drucksensoren Parameter wie Kabinendruck, Stabilität der Kraftstoffversorgung und die Leistung des Klimatisierungssystems (ECS). Selbst kleine Ungenauigkeiten können hier einen sich anbahnenden Fehler verschleiern oder Fehlalarme in der redundanten Überwachungslogik auslösen.
Eine IEEE-Studie aus dem Jahr 2025 zu piezoresistiven Drucksensoren auf Siliziumbasis ergab, dass die Langzeitstabilität die entscheidende Leistungskennzahl für Sensoren ist, die in Messumgebungen mit hohem Risiko eingesetzt werden – was die Notwendigkeit untermauert, Sensoren zu wählen, die speziell auf Driftbeständigkeit ausgelegt sind. Die Studie ist in den Tagungsberichten der IEEE ICMLCA 2025 veröffentlicht.
Was verursacht Sensordrift in Luft- und Raumfahrtanwendungen?
Unter Drift versteht man eine allmähliche Verschiebung des Ausgangssignals eines Sensors, auch wenn der tatsächliche Druck konstant bleibt. In der Luft- und Raumfahrt sind drei Hauptmechanismen für dieses Verhalten verantwortlich.
Mechanische Ermüdung: Wiederholte Druckzyklen, Vibrationen und Stoßbelastungen verursachen Mikroverformungen in der Sensormembran. Über Tausende von Testzyklen hinweg verschieben diese Veränderungen den Nullpunkt des Sensors und verändern dessen Hystereseeigenschaften.
Temperaturwechsel: In Testumgebungen der Luft- und Raumfahrt sind Sensoren häufig Temperaturbereichen von -40 °C bis weit über 125 °C ausgesetzt. Die Ausdehnung und Kontraktion interner Komponenten verändert die elektrischen Eigenschaften des Sensorelements und führt zu einem Messversatz.
Elektronische Alterung: Interne Referenzspannungen und Signalaufbereitungsschaltungen verschlechtern sich mit der Zeit. In nicht hermetisch versiegelten Gehäusen beschleunigt das Eindringen von Feuchtigkeit diesen Prozess. Das Ergebnis ist eine langsame, oft unerkannte Abweichung von der ursprünglichen Kalibrierung des Sensors.
Wie die Kalibrierung die langfristige Messgenauigkeit unterstützt
Die Kalibrierung ist der Vorgang, bei dem das Ausgangssignal eines Sensors mit einem bekannten Referenzstandard verglichen und etwaige Abweichungen korrigiert werden. In Testprogrammen der Luft- und Raumfahrt werden die Kalibrierungsintervalle auf der Grundlage der dokumentierten Langzeitstabilitätsspezifikation des Sensors und der Kritikalität der Messung festgelegt.
Die Werkskalibrierung umfasst in der Regel eine Temperaturkompensation über den gesamten Nennbetriebsbereich des Sensors. Dieser Schritt reduziert thermisch bedingte Drift, indem das Verhalten des Sensors an mehreren Temperaturpunkten erfasst und Korrekturkoeffizienten auf das Ausgangssignal angewendet werden.
Regelmäßige Neukalibrierungen während einer Testkampagne erkennen Driften, bevor diese die Daten verfälschen. Sensoren mit geringerer inhärenter Drift erfordern jedoch weniger Neukalibrierungszyklen, was Ausfallzeiten und das Risiko von durch Handhabung verursachten Schäden beim Ausbau und Wiedereinbau verringert.
Auswahl des richtigen Drucksensors für die Luft- und Raumfahrt
Die Sensorauswahl für Tests in der Luft- und Raumfahrt hängt von einer Reihe anwendungsspezifischer Kriterien ab. Die folgenden Parameter werden typischerweise während des Spezifikationsprozesses bewertet:
- Genauigkeit und Gesamtfehlerband (TEB): Bei Präzisionsprüfständen sind Genauigkeitsangaben von 0,1 % FS oder besser übliche Anforderungen. Das TEB berücksichtigt Linearität, Hysterese, Wiederholbarkeit und Temperatureinflüsse in einer einzigen Spezifikation.
- Druckbereich: Die Bereiche reichen von wenigen Millibar bei Anwendungen im Kabinendruckbereich bis zu mehreren hundert bar bei Tests von Antriebssystemen.
- Betriebstemperatur: Sensoren müssen ihre Genauigkeit über den gesamten Temperaturbereich der Prüfung hinweg aufrechterhalten, einschließlich thermischer Transienten während des Start- und Abschaltvorgangs.
- Ansprechzeit: Dynamische Druckereignisse wie Einspritzimpulse oder schnelle Ventilbetätigungen erfordern Ansprechzeiten im Sub-Millisekundenbereich.
- Gehäusematerial: Edelstahl, Titan und Hastelloy werden je nach Medienverträglichkeit, Gewichtsbeschränkungen und Korrosionsbeständigkeit ausgewählt.
- Ausgangssignal: Die Kompatibilität mit dem Datenerfassungssystem des Prüfstands bestimmt, ob ein mV-, 4–20-mA- oder ein digitaler Ausgang (RS485, HART) erforderlich ist.
Wie STS Sensors die Test- und Messtechnik in der Luft- und Raumfahrt unterstützt
STS Sensors fertigt piezoresistive Drucksensoren und Messumformer, die für Testumgebungen in der Luft- und Raumfahrt ausgelegt sind. Das Sortiment umfasst die Messung von Absolut-, Relativ- und Differenzdruck mit Genauigkeitsoptionen bis hinunter zu 0,05 % FS.
Der Miniatur-Drucksensor PZ770 deckt Messbereiche von 1 bis 413 bar mit einer Genauigkeit von 0,1 % FS oder besser ab und ist bei Temperaturen von -40 °C bis 150 °C einsetzbar. Sein kompaktes Edelstahlgehäuse wurde für Anwendungen mit strengen Gewichts- und Platzbeschränkungen entwickelt.
STS Sensors hat in den letzten fünf Jahren über 3.500 Sensoren für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt ausgeliefert. Vor kurzem unterstützte das Unternehmen Latitude Space mit Drucksensoren für Turbopumpen-Tests in Frankreich, bei denen der Kraftstoffdruck, die Kammerstabilität und das Strukturverhalten während automatisierter Zündsequenzen überwacht wurden.
Für nicht standardmäßige Konfigurationen entwickelt STS in Zusammenarbeit mit Ingenieurteams maßgeschneiderte Sensorlösungen. Materialien, Messbereiche, Ausgangssignale und Steckverbinder können individuell an die spezifischen Anforderungen des Prüfstands angepasst werden.
Fazit: Präzisionsmessung als Grundlage für Tests in der Luft- und Raumfahrt
Genaue Druckdaten bilden die Grundlage jeder zuverlässigen Testkampagne in der Luft- und Raumfahrt. Drift, thermische Effekte und elektronische Alterung sind unvermeidbare Herausforderungen, lassen sich jedoch durch eine fundierte Sensorauswahl, geeignete Kalibrierungsverfahren und driftresistente Sensortechnologie bewältigen.
Indem sie die Sensorspezifikationen genau auf die Anforderungen der jeweiligen Testanwendung abstimmen, reduzieren Ingenieurteams die Datenunsicherheit und vermeiden kostspielige Wiederholungsprüfungen. STS Sensors bringt über 35 Jahre Schweizer Präzision in diese Herausforderung ein und bietet modulare, anpassbare Drucksensoren, die unter den Bedingungen von Luft- und Raumfahrtprüfungen zuverlässig arbeiten.
Häufig gestellte Fragen zu Drucksensoren für Präzisionstests in der Luft- und Raumfahrt
Was ist ein Drucksensor für die Luft- und Raumfahrt?
Ein Drucksensor für die Luft- und Raumfahrt wandelt Gas- oder Flüssigkeitsdruck in ein elektrisches Signal um, das zur Überwachung und Steuerung in Flugzeug- und Raumfahrtsystemen verwendet wird. Diese Sensoren müssen strenge Genauigkeits- und Zuverlässigkeitsstandards für sicherheitskritische Anwendungen wie Triebwerksprüfungen, Kabinendruckregelung und Hydrauliküberwachung erfüllen.
Warum ist die Sensordrift bei Tests in der Luft- und Raumfahrt von Bedeutung?
Eine Sensor-Drift führt dazu, dass sich die Messwerte allmählich verschieben, selbst wenn der tatsächliche Druck konstant bleibt. Bei Tests in der Luft- und Raumfahrt kann dies zu falschen Daten, Fehlalarmen oder übersehenen Fehlern führen. Die Auswahl von Sensoren mit geringer inhärenter Drift verringert diese Risiken.
Wie geht STS Sensors mit der Drift bei der Druckmessung in der Luft- und Raumfahrt um?
STS Sensors stellt piezoresistive Drucksensoren mit werkseitig kalibrierter Temperaturkompensation und robusten, hermetisch versiegelten Gehäusen her. Diese Kombination minimiert thermisch und umweltbedingt verursachte Drift und reduziert so die Häufigkeit von Neukalibrierungen während langer Testkampagnen.
Welche Druckbereiche decken Sensoren für Luft- und Raumfahrt-Tests typischerweise ab?
Die Bereiche variieren je nach Anwendung. Die Überwachung des Kabinendrucks erfordert möglicherweise Sensoren im niedrigen Millibar-Bereich, während Antriebs- und Hydrauliktests Messungen bis zu mehreren hundert bar erfordern können. STS Sensors bietet konfigurierbare Messbereiche von 50 mbar bis 1000 bar an, um dieses gesamte Spektrum abzudecken.
Können Drucksensoren für die Luft- und Raumfahrt an einen bestimmten Prüfstand angepasst werden?
Ja. STS Sensors entwickelt maßgeschneiderte Sensorkonfigurationen, die auf spezifische Messaufgaben zugeschnitten sind. Materialien, Druckbereiche, Ausgangssignale und mechanische Anschlüsse sind alle konfigurierbar. Der Prozess reicht von der technischen Analyse über den Prototypenbau bis hin zur Serienfertigung.
Your STS expert
Christian Houda – Area Sales Manager
