Alles drin – Multifunktionalität in Raumfahrtstrukturen

2018 hat ein institutsinternes Team die Vision von Raumfahrtstrukturen entwickelt, die aufgrund ihrer Multifunktionalität und Modularität universell zusammenbaubar und einsetzbar sind – sogar im Orbit. Bei dem institutsinternen „Wettbewerb der Ideen“ hat diese Idee gewonnen. Seit dem wurde sie nun beispielhaft in Form eines multifunktionalen Sandwichpaneels für einen Satelliten umgesetzt. Das Satelliten-Sandwichpaneel verfügt über eine Reihe von Funktionalitäten, die allesamt strukturintegriert sind: Eine eigene Energieversorgung, eine aktive Schwingungsreduzierung, Leiterbahnen für den Daten- und Energietransfer sowie eine Thermalkontrolle. Neben dem Vorteil, Masse und Volumen zu sparen, erlaubt das Design des Sandwichpaneels einen Einsatz sowohl in erdnahen Satelliten als auch in Raumsonden.

Multifunktionales Satelliten-Sandwichpaneel

Das Tragwerk eines Satelliten oder Raumfahrzeugs besteht normalerweise aus mehreren schweren und voluminösen Komponenten. Da dieses System nahezu alle mechanischen Lasten beim Start und Betrieb aufnimmt, sind die Ansprüche an diese Primärstruktur bezüglich mechanischer Leistungsfähigkeit, Robustheit und Zuverlässigkeit hoch. Ein abteilungsübergreifendes Team hat es nun geschafft, alle notwendigen Funktionalitäten in ein sich selbst anpassendes, universales Satelliten-Sandwichpaneel als tragendes Teil eines Satelliten-Tragwerks zu integrieren. Der erste Prototyp des Paneels enthält fünf strukturintegrierte Funktionen:

Die Basis für das Satelliten-Sandwichpaneel sind Faserverbund-Deckschichten (FKV) und Hartschaummaterial als Kernelement. Das thermische Design der Deckschichten erlaubt dabei die Übertragung von der Nutzlast über die multifunktionalen Inserts auf die Satelliten­Hauptstruktur. Die Subsysteme sind entweder in den Deckschichten des Sandwichpaneels integriert oder reichen, im Fall der Inserts, durch die Deckschichten sowie den Kern hindurch. In den FKV-Deckschichten befinden sich sowohl das aktive Schwingungsreduktionssystem in Form von Piezo-Aktoren, großflächige, aus zwei Funktionsschichten bestehende Superkondensatoren zur Energieversorgung,  als auch Leiterbahnen aus Edelstahl. Die Leiterbahnen dass sie eine Daten- und Energieübertragung zwischen allen Komponenten ermöglichen und gleichzeitig die Steifigkeit der Deckschichten erhöhen. Die multifunktionalen Inserts erlauben die Energie- und Signalweitergabe zwischen den am Paneel befestigten Nutzlasten, den im Paneel integrierten Elementen und der umgebenden Satelliten-Hauptstruktur. Eine hochintegrale Gestaltung der Inserts ermöglicht darüber hinaus eine zuverlässige mechanische Anbindung und die Übertragung eines kontrollierten Wärmestroms zwischen dem Sandwich-Paneel und der umgebenden Satellitenstruktur. Das Reglungssystem der Schwingungsunterdrückung bzw. der Piezo-Aktuatoren ist dabei zusammen mit einem Thermal-Experiment als Test-Nutzlast auf dem Sandwich-Paneel montiert.

Qualifikation für den Weltraum

Das aktuelle Ziel ist die Qualifikation und Zertifizierung des multifunktionalen Satelliten-Sandwichpaneels für zukünftige Raumfahrtanwendungen. Zwei Szenarien sind für die Auslegung wichtig: Der Start von der Erde und der Aufenthalt im Orbit. Alle Komponenten des Satelliten-Sandwichpaneels müssen dabei sowohl den starken mechanischen Belastungen während des Starts als auch den thermischen Belastungen und dem Vakuum im Weltraum standhalten. Zur Überprüfung der vielfältigen Funktionalitäten sind Thermal-, Vakuum- sowie Schwingungstests unter extremen Bedingungen vorgesehen.