Multifunktionale Leichtbaustrukturen und vibroakustische Metamaterialen

Fraunhofer LBF auf der Space Tech Expo.

Zukünftige Trägerraketen-Konzepte werden noch leichter sein, denn in der Raumfahrtindustrie wird jedes Bauteil optimiert, um einen wirtschaftlich günstigen Betrieb zu gewährleisten. Die Entwicklung neuer Materialien und multifunktionaler Strukturen sowie innovativer Fertigungstechnologien ist dafür unerlässlich. Im Fraunhofer LBF wurde die Umsetzung der vibroakustischen Metamaterialien-Technologie für eine zylindrische Leichtbaustruktur aus Verbundwerkstoff untersucht sowie ein Konzept für multifunktionale, tragende Leichtbaustrukturen für Satelliten entwickelt. Dabei haben die Forschenden mehrere Funktionen in zwei typische Strukturelemente eines herkömmlichen Satelliten integriert.

Trägerraketen mit optimiertem Schwingungsverhalten

Verbundwerkstoffe (beispielsweise Kohlefaserverbundwerkstoff, kurz CFK) ermöglichen große Masseneinsparungen bei Trägerraketen und werden für die Anwendung in verschiedenen Systemen und Komponenten in Betracht gezogen. So will die Europäische Weltraumorganisation (ESA) bis 2025 eine Oberstufe komplett aus Kohlefaserverbundwerkstoff für die neue Generation der Ariane 6 entwickeln, mit dem Ziel, die Nutzlastkapazität um zwei Tonnen zu erhöhen. Obwohl Oberstufen aus Verbundwerkstoffen im Vergleich zu metallischen Materialien ein höheres Steifigkeits-Masse-Verhältnis aufweisen, können sie bei bestimmten Frequenzen zu höheren Schwingungsamplituden führen, die insbesondere in der Startphase kritisch sind. Ein innovativer Ansatz zur Reduzierung von Schwingungen sind vibroakustische Metamaterialien.

Mit Metamaterialien wird ein in der Natur nicht vorkommendes Verhalten erzeugt. Neben optischen und elektromagnetischen Metamaterialien werden spezielle Formen von Metamaterialien auch zur Lärm- und Schwingungsminderung eingesetzt. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF haben konzeptionelle und numerische Entwurfsstrategien entwickelt und experimentell validiert. Es traten Schwingungsreduktionen von bis zu 30 Dezibel (dB) im Frequenzbereich zwischen 150 Hertz (Hz) und 200 Hertz auf.

Leichte Satelliten mit integrierten Funktionen

In tragende Satellitenstrukturen sind verschiedene Funktionen integriert, die normalerweise von eigenständigen Satellitensubsystemen und -komponenten bereitgestellt werden.

Am Fraunhofer LBF wurden numerische Modelle zur mechanischen Beschreibung der Leichtbaustrukturen mit integrierten aktiven Funktionen entwickelt, mit denen das reale Verhalten der Satellitenstrukturen effizient und zuverlässig abgebildet werden kann. Dieses neu entwickelte integrative Konzept fügt den vorhandenen Strukturen aktive Funktionen, beispielsweise Schwingungsminderung oder Energie- und Datenübertragung. Auch die Integration passiver Funktionen, wie Wärmeübertragung, Strahlungsabschirmung oder Aufprallschutz ist möglich.

Vorteile dieses neuen technologischen Konzepts sind die Verringerung der Masse und des Volumens des Satelliten, aber auch ein hochintegrativer und standardisierter »One-Shot« Produktionsprozess. Dieser macht die Herstellung, Integration, Qualifizierung, den Start und den Betrieb eines Satelliten kosten- und zeiteffizienter.

Mehr zu den neuen Forschungsergebnissen präsentieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom 16. bis 18. November auf dem Fraunhofer-Stand N 40 in Bremen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dipl.-Ing. Heiko Atzrodt, heiko.atzrodt@lbf.fraunhofer.de
Daria Manushyna, M.Sc., daria.manushyna@lbf.fraunhofer.de

Weitere Informationen:

http://www.lbf.fraunhofer.de/vibroakustische-metamaterialien