Jahresbericht 2018

multiSat: Multifunktionale Leichtbaustrukturen für Satellitenanwendungen.

Numerisches Berechnungswerkzeug, multifunktionale Strukturen, Schwingungsminderung

Das Projekt multiSat zielt auf die Entwicklung multifunktionaler tragender Leichtbaustrukturen für Satelliten ab. Im Rahmen eines umfassenden technologischen Konzepts wurden mehrere Funktionen in zwei typische Strukturelemente eines herkömmlichen Satelliten integriert: eine Sandwichplatte und eine Röhre. Das integrative Konzept fügt den Strukturen sechs Funktionen hinzu: Wärmeübertragung, Strahlungsabschirmung und Aufprallschutz (passive Funktionen) und Schwingungsminderung, Energie- und Datenübertragung (aktive Funktionen). Die aktiven Funktionen wurden von Wissenschaftlern im Fraunhofer LBF untersucht.

Herausforderungen beim Entwurf von Satelliten

Die Primärstruktur herkömmlicher Satelliten ist in der Regel hauptsächlich für die Unterstützung mechanischer Belastungen ausgelegt, um Befestigungspunkte für die Subsysteme bereitzustellen und sie vor der Weltraumumgebung zu schützen. Die Subsysteme werden separat entwickelt und hergestellt und in der Endphase des Montageprozesses auf der Satellitenstruktur montiert. Eine solche Trennung von strukturmechanischen und nichtstrukturellen Funktionen erhöht Masse, Volumen und Produktionsaufwand der Satelliten. Ein Ansatz zur Beseitigung dieser Nachteile ist das Konzept einer multifunktionalen Struktur. In die tragende Satellitenstruktur sind verschiedene Funktionen integriert, die normalerweise von eigenständigen Satellitensubsystemen und -komponenten bereitgestellt werden. Zu den Vorteilen dieses technologischen Konzepts gehören die Verringerung der Masse und des Volumens des Satelliten, aber auch ein hochintegrativer und standardisierter »One-Shot« Produktionsprozess, der die Herstellung, Integration, Qualifizierung, den Start und den Betrieb eines Satelliten kosten- und zeiteffizienter macht. Aus diesem Grund ist die Entwicklung multifunktionaler Strukturen in den vergangenen Jahrzehnten innerhalb der Forschungsgemeinschaft zunehmend in den Fokus gerückt.

Entwicklung einer multifunktionalen Leichtbaustruktur

Eine simulationsgestützte Entwicklung in der Entwurfsphase kann dabei helfen, Iterationen zu verringern sowie Entwicklungszeiten und -kosten zu senken. Die Arbeiten im Projekt multiSat leisten einen Beitrag zur durchgängigen und integrativen Nutzung von Informationstechnologien wie Computer Aided Design, Simulation und multidisziplinäre Entwurfsoptimierung in der Entwicklung von multifunktionalen Satellitenstrukturen. 

Dabei entwickelt und validiert das Fraunhofer LBF numerische Modelle zur mechanischen Beschreibung der Leichtbaustrukturen mit integrierten aktiven Funktionen, mit denen das reale Verhalten der Satellitenstrukturen effizient und zuverlässig abgebildet wird. Insbesondere piezoelektrische Wandler sind in zwei beispielhaften Leichtbaustrukturen (ein Sandwich Paneel und eine Röhre aus CFK) integriert, um zum einen die Schwingungsminderung bei Shunt-Schaltungen und zum anderen aktive Regelungsstrategien zu demonstrieren.

Zum Abgleich der Simulationsmodelle wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Die Validierung führte zu einer Verbesserung des Verhältnisses der Strukturen aufgrund der Schwingungsminderung.

Kundennutzen

Das entwickelte Konzeptdesign und die implementierten Simulationsmodelle können in vielen anderen Anwendungen verwendet werden, bei denen Leichtbau und Vibrationsreduzierung wichtig sind (z.B. im Automotive-Bereich).