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 bei Tests in der Luft- und Raumfahrt zugeschnitten ist – von der Validierung von Turbopumpen bis zur Überwachung des Kabinendrucks.
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 weite 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.
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. Dies unterstreicht die Notwendigkeit, Sensoren zu wählen, die speziell auf Driftbeständigkeit ausgelegt sind. Die Studie ist in den Tagungsberichten der IEEE ICMLCA 2025 veröffentlicht.
Unter Drift versteht man eine allmähliche Verschiebung des Ausgangssignals eines Sensors, selbst 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. Die Folge ist eine langsame, oft unerkannte Abweichung von der ursprünglichen Kalibrierung des Sensors.
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 sowie das Risiko von durch Handhabung verursachten Schäden beim Ausbau und Wiedereinbau verringert.
Die Sensorauswahl für Luft- und Raumfahrtprüfungen hängt von einer Reihe anwendungsspezifischer Kriterien ab. Die folgenden Parameter werden typischerweise während des Spezifikationsprozesses bewertet:
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 im Temperaturbereich 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 hat das Unternehmen Latitude Space mit Drucksensoren für Turbopumpen-Tests in Frankreich unterstützt, um den Treibstoffdruck, die Kammerstabilität und das strukturelle Verhalten während automatisierter Zündsequenzen zu überwachen.
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.
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 an, die unter den Bedingungen, die Luft- und Raumfahrtprüfungen erfordern, zuverlässig arbeiten.
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.
Eine Sensorabweichung 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 Abweichung verringert diese Risiken.
STS Sensors fertigt piezoresistive Drucksensoren mit werkseitig kalibrierter Temperaturkompensation und robusten, hermetisch versiegelten Gehäusen. Diese Kombination minimiert thermisch und umweltbedingt verursachte Drift und reduziert so die Häufigkeit von Neukalibrierungen während langer Testphasen.
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.
Ja. STS Sensors entwickelt maßgeschneiderte Sensorkonfigurationen, die auf spezifische Messaufgaben zugeschnitten sind. Werkstoffe, Druckbereiche, Ausgangssignale und mechanische Anschlüsse sind alle konfigurierbar. Der Prozess reicht von der technischen Analyse über den Prototypenbau bis hin zur Serienfertigung.