Silent Running – Vibroakustische Metamaterialien zur Schwingungsminderung an Launcher- und Satellitenkomponenten

Neuartige Schwingungsminderungsmaßnahme für die Raumfahrt

Laufzeit des Vorhabens: 01.04.2019 – 31.03.2022

Im Vorhaben »Silent Running« wird der Einsatz vibroakustischer Metamaterialien als neuartige Schwingungsminderungsmaßnahme für Launcher- und Satellitenkomponenten erforscht. Vibroakustische Metamaterialien (VAMM) stellen die Kombination aus zu beruhigender Grundstruktur und einer Vielzahl strukturdynamischer Resonatoren dar. Durch eine gezielte Konzeptionierung werden im Strukturverhalten vorteilhafte dynamische Eigenschaften erzielt. Charakteristisch für vibroakustische Metamaterialien ist die Verringerung der Wellenausbreitung in definierten Frequenzbereichen. Diese definierten Frequenzbereiche werden als Stoppbänder bezeichnet. Der Vorteil hierbei ist die dadurch entstehende breitbandige und hohe Schwingungsreduktion, welche mit konventionellen Maßnahmen praktisch nicht umsetzbar ist.

Abbildung 1: Eine beispielhafte Struktur als vibroakustisches Metamaterial (VAMM) aus Faser-Kunststoff-Verbund mit Resonatoren (links) und die Vergleichsübertragungsfunktion im Vergleich zur Referenzstruktur (rechts)

In Kooperation zwischen dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF (kurz Fraunhofer LBF) und OHB System AG werden Raumfahrtstrukturen unter Verwendung der Vibroakustischen-Metamaterialien-Technologie ausgelegt und umgesetzt. Das Ziel ist die Steigerung der Leistungsfähigkeit von Satelliten und Launcherkomponenten mit hohem Marktpotenzial.

Als Anwendungsfall werden strukturdynamische und akustische Anregungen in der Startphase sowie im Satellitenbetrieb (Mikrovibrationen durch z.B. Reaktionsräder) betrachtet. Die Hauptanforderungen der Schwingungsminderung sind eine Amplitudenreduktion um mindestens den Faktor 5 im definierten Stoppbandbereich bei ca. 100 Hz sowie eine hohe Dämpfung im höheren Frequenzbereich bis ca. 500 Hz. Der Fokus der Arbeit am Fraunhofer LBF liegt auf der Konzeptionierung und der numerischen Analyse von Komponenten mit vibroakustischen Metamaterialien. Die OHB System AG beschäftigt sich mit der experimentellen Umsetzung der entworfenen Komponenten sowie der Erfüllung relevanter Lastfälle für den sicheren Betrieb.

Als finale Demonstratoren werden eine Teleskopstruktur in Aluminiumbauweise als Nutzlast sowie ein flugrepräsentatives Sandwich-Panel als Satellitenstruktur entworfen und umgesetzt. Mit diesem Ansatz lässt sich die Technologie anhand unterschiedlicher Full-Scale Hardware Demonstratoren in unterschiedlichen Last- und Frequenzbereichen evaluieren. Die Realisierung von Demonstratoren findet so statt, dass die betrachteten Geometrien sowie Materialien in Bezug auf die Zulassung auf reale Anwendung übertragbar sind.

Institutionen/ Ansprechpartner

Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
Darmstadt

OHB System AG
Oberpfaffenhofen / Bremen

Ansprechpartner:

Heiko Atzrodt
heiko.atzrodt@lbf.fraunhofer.de
Telefon +49 6151 705-349

Stephan Rapp
stephan.rapp@ohb.de
Telefon +49-8153-4002-245