Operational modal analysis and its application for SOFIA telescope assembly vibration measurements

Abstract

The Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy, SOFIA, is an airborne observatory that will serve the scientific community to study the universe in the infrared spectrum. SOFIA consists of a Boeing 747SP aircraft equipped with a 2.5 m telescope in the rear part of the fuselage. During operational flight, a door will be opened to allow a clear view into the sky.

One particular challenge of such an observatory in an airborne environment is to provide a highly stable image in the focal plane, where the science instrument picks up the light from the telescope. Image jitter at the focal plane is caused by external disturbance loads, e.g. aircraft inertial loads and aerodynamic loads, which cause rigid as well as flexible body motion of the telescope. Flexible body motions play an important role in the pointing optimization effort. Therefore, a good understanding of the dynamic characteristics of the telescope structure needs to be generated.

This study thesis discusses the methods of Operational Modal Analysis (OMA) in order to obtain such an understanding and shows how they can be applied to the SOFIA observatory development and improvement process with respect to pointing stabilization and image quality. Operational Modal Analysis acquires information about the dynamic characteristics of a structure in terms of eigenfrequencies, damping and mode shapes, without the need for explicit measurement of the vibration inducing loads. Since the exact influence of aerodynamic disturbance loads during operational flight conditions is not measurable, the OMA approach is a promising contribution the SOFIA optimization effort.

SOFIA, das Stratosphären Observatorium für Infrarot Astronomie, ist ein fliegendes Observatorium, mit dem das Weltall astronomisch hautpsächlich im Bereich des Infrarotspektrums erforscht werden soll. Es handelt sich um ein umgebautes Flugzeug vom Typ Boeing 747SP, in dessen hintere Rumpfsektion ein Teleskop mit 2.5 m Spiegeldurchmesser eingebaut wurde. Eine sich im Fluge öffnende Schiebetür erlaubt dem Teleskop einen freien Blick in den Nachthimmel.

Eine der Hauptschwierigkeiten eines Flugzeugobservatoriums wie SOFIA ist, dem wissenschaftlichen Instrument in der Fokalebene des Teleskopes ein ausreichend stabiles Bild zu überreichen. Nur ein unverwackeltes Bild ermöglicht hervorragende wissenschaftliche Ergebnisse. Störungen in der Bildbewegung werden durch externe Anregungen hervorgerufen, die sowohl aus der Flugzeugbewegung kommen als auch durch aerodynamische Lasten verursacht werden, welche auf das Teleskop einwirken. Diese Störungen bewirken zum einen, dass sich ungewollt das komplette Teleskop relativ zum Sternenhimmel bewegt (Starrkörperbewegung), als auch dass die Teleskopstruktur angeregt wird zu schwingen. Der Ausgleich dieser Schwingungen spielt eine wichtige Rolle im Bemühen die Ausrichtgenauigkeit des Teleskops zu verbessern. Um dies zu erreichen, ist ein gutes Verständnis der dynamischen Eigenschaften der Teleskopstruktur von Nöten.

Die vorliegende Studienarbeit beschäftigt sich mit den Methoden der Operationellen Modalanalyse (OMA) als Möglichkeit dieses Verständnis zu erarbeiten. Die Arbeit zeigt, wie Operationelle Modalanalyse im SOFIA Projekt angewandt werden kann um die Optimierung von Ausrichtgenauigkeit und Bildqualität zu unterstützen. Mithilfe der Operationellen Modalanalyse können die Eigenfrequenzen, Dämpfungen und Schwingungsformen einer Struktur ermittelt werden, ohne dass dabei die anregenden Kräfte explizit gemessen werden müssen. Weil genau dieses Unterfangen während eines Fluges unter Beobachtungsbedingungen unmöglich ist -- besonders die Messung der auf der Struktur räumlich verteilten aerodynamischen Lasten -- erscheint der Ansatz der Operationellen Modalanalyse als vielversprechender Beitrag um die Leistungsfähigkeit des SOFIA Observatoriums zu optimieren.