Anwendungsbeispiel: Qualitätskontrolle. Luft-/Raumfahrt: Entwicklung einer leichten und formstabilen Struktur für das LISA Pathfinder Forschungsmodul

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1 Anwendungsbeispiel: Qualitätskontrolle Luft-/Raumfahrt: Entwicklung einer leichten und formstabilen Struktur für das LISA Pathfinder Forschungsmodul Messsysteme: TRITOP Keywords: thermische Formstabilität, Klimakammer, Strukturverformung Das Forschungsmodul LISA (Laser Interferometry Space Antenna) Pathfinder ist ein von der Oerlikon Space AG geplanter und gebauter Satellit für ESA/Astrium. Um die thermische Formstabilität der bestehenden Struktur zu bestimmen, wird diese in einer Klimakammer bei unterschiedlichen Temperaturen vermessen. Die Messresultate wie auch die FEM Berechnungen werden zueinander in Bezug gesetzt und analysiert. GOM mbh Mittelweg Braunschweig Deutschland Phone Fax GOM International AG Bremgarterstrasse 89B 8967 Widen Schweiz Phone Fax GOM France SAS 10 Quai de la Borde - Bât A Ris Orangis Frankreich Phone Fax GOM UK Ltd Business Innovation Centre Coventry, CV3 2TX Großbritannien Phone Fax GOM Branch Benelux Interleuvenlaan 15 E 3001 Leuven Belgien Phone Fax Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)

2 Qualitätskontrolle / Luft-/Raumfahrt Entwicklung einer leichten und formstabilen Struktur für das LISA Pathfinder Forschungsmodul Messsysteme: TRITOP Keywords: thermische Formstabilität, Klimakammer, Strukturverformung Zusammenfassung eines Papers, das auf der CEAS 2007 von HP. Gröbelbauer und M. Heer von Oerlikon Space AG, Schaffhauserstrasse 580, 8052 Zürich, Schweiz, gehalten wurde. Übersicht Das Forschungsmodul LISA (Laser Interferometry Space Antenna) Pathfinder ist ein von der Oerlikon Space AG geplanter und gebauter Satellit für ESA/Astrium. Dieser Satellit soll Messgeräte, die Gravitationswellen nachweisen können, im Einsatz testen. Dazu werden im All kurze Distanzen zu Referenzkörpern (ca. 40 cm) innerhalb des Satelliten hochgenau vermessen. Basierend auf den gesammelten Erkenntnissen soll ab dem Jahr 2015 ein Satellitennetzwerk in Betrieb genommen werden, welches die Distanzen der einzelnen Satelliten zueinander (ca. 5 Millionen Kilometer) hochgenau vermisst. Um die thermische Formstabilität der bestehenden Struktur zu bestimmen, wird sie in einer Klimakammer (METAS in Bern) bei unterschiedlichen Temperaturen vermessen. Eingesetzt werden ein hochgenaues Laser-Interferometer zur Vermessung einzelner Abstandsänderungen im Inneren der Struktur, und die Fotogrammetrie zur Vermessung der äußeren, globalen Verformung der Struktur. Die Messresultate wie auch die FEM Berechnungen werden zueinander in Bezug gesetzt und analysiert. Aufbau der Satellitenstruktur Der LISA Pathfinder Satellit wurde bei der Oerlikon Space AG als achtseitiges Prisma mit einer Höhe von 820 mm und einem Durchmesser von 1800 mm aufgebaut. Die Zentraleinheit besteht aus einem sehr steifen Innenzylinder, mit ca. 820 mm Durchmesser. Daran angebaut sind acht Wandelemente. Acht Außenwände und die oberen und unteren Deckplatten bilden die Außenhaut, (s. Bild 1). Bild 1: Satellitenstruktur bei der Oerlikon Space AG Laserinterferometrie-Messung In Bild 2 dargestellt sind die Struktur und ihr Aufbau in der Klimakammer der METAS. Mit dem Laserinterferometer werden Distanzänderungen innerhalb des Satelliten mit direkter Sichtverbindung bei verschiedenen Temperaturen hochgenau vermessen. Nach jedem Temperaturzyklus wird das Laserinterferometer Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)

3 mit den Messspiegeln versetzt und neu positioniert, um einen neuen Distanz- Änderungs-Messwert bei verschiedenen Temperaturen zu erfassen. Insgesamt werden so 16 Distanzänderungen innerhalb des Satelliten in Funktion der Umgebungstemperatur mit höchster Präzision vermessen. Bild 2: Messung einer Distanzänderung innerhalb des Satelliten mit dem Laserinterferometer Fotogrammetrie Zur Fotogrammetriemessung werden Marken auf die zu vermessende Struktur aufgebracht, zudem werden zwei Maßstäbe (gelbe Stangen in Bild 3) in der Nähe des Objektes positioniert. Anschließend werden Bilder der Struktur, mit den aufgeklebten Marken, aus verschiedenen Blickrichtungen aufgenommen. Aus den verschiedenen Bildern werden durch das TRITOP System automatisch die Mittelpunkte der Markierungen bestimmt und daraus, durch optische Triangulation aus mehreren Ansichten, die absoluten 3D Positionen der Markenmittelpunkte berechnet. (Bild 4) Bild 3: Fotogrammetrie-Messung der Satellitenstruktur mit TRITOP. Vermessen wird die 3D-Position der selbstklebenden Marken auf den sichtbaren Bereichen der Struktur, inklusive des Bereichs im zentralen Innenzylinder und der Grundplatte des Zentralmoduls. Bild 4: Darstellung der Markerpunkte (grün) und der verschiedenen Kamera-Aufnahmepositionen. Im TRITOP System sind diese Daten durch die 3D-Visualisierung sehr viel anschaulicher. Nun werden Temperatur und Feuchtigkeit in der Klimakammer gemäß einem genau definierten Temperaturzyklus nachgefahren, so dass die Interferometriemessung der Änderung folgen kann und die Struktur nur minimale Temperaturunterschiede aufweist. Bei einigen definierten Temperaturen werden nun zusätzliche TRITOP-Messungen durchgeführt. Die 3D-Messwerte bei der Referenztemperatur werden anschließend mit jenen der entsprechenden Marken bei den anschließenden TRITOP-Messungen verglichen um so die Formänderung der Struktur durch die Temperaturänderung sichtbar zu machen. Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)

4 Bild 5: 3D Verschiebungsvektoren der selbstklebenden Marken auf der Struktur bei einem Temperaturwechsel von +9,5 C (Referenztemperatur) auf +40,5 C. Die absolute Messgenauigkeit der TRITOP Deformationsmessung von 10 bis 15 Mikrometer bei der Satellitengröße von 1,8 m Durchmesser und 0,82 m Höhe wurde durch die Abstandsmessungen des Laserinterferometers überprüft. Die Fotogrammetriemessung erfasst die globale 3D-Formänderung der Struktur (ca. 100 Mikrometer bei ca. 30 Grad Temperaturänderung in einem einzigen Temperaturzyklus) mit mehreren hundert Messstellen und stellt die Formänderungen anschaulich dar (Bild 5). Basierend auf diesen Messdaten können Anomalien und Tendenzen erkannt und letztendlich das Verhalten der Struktur unter thermischer Belastung verstanden werden. Vergleich der Messdaten mit den FEM Daten Die Einzelteile und Panels wurden während der Produktion und vor dem Zusammenbau der Struktur sehr genau getestet und auf ihr thermisches Verhalten vermessen. Zudem wurden diese Einzelteile sehr detailliert für die FEM Berechnung modelliert, mit den zwei Deckschichten, der Wabenstruktur, den Einlagen und auch den Verbindungsbauteilen, gemäß Bild 6, links. Die Simulation der Formänderungen ist im rechten Bild sichtbar und zeigt eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Werten. Die gemessenen thermischen Verformungen haben viel zum Verständnis des Verhaltens der zusammengebauten Satellitenstruktur beigetragen, sodass damit ein detailliertes FEM Model erstellt werden konnte, welches sehr gut mit dem aktuellen Verhalten der Struktur unter Temperaturänderungen übereinstimmt. Bild 6: LISA Pathfinder Struktur dargestellt als Finite Elemente Modell mit den berechneten Deformation der Struktur unter thermischer Belastung (rechts) Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)

5 Zusammenfassung Die Entwicklung und der Bau einer formstabilen und leichten Satellitenstruktur mit dem Nachweis der Stabilität bei thermischer Belastung in einer Klimakammer wurden erfolgreich abgeschlossen. Die zwei gewählten Messmethoden haben sich sehr gut ergänzt und ermöglichen eine genaue Modellbildung der Struktur mit guter Übereinstimmung zu den wirklichen Messwerten und belegen, dass die Struktur die geforderte hohe statische und thermische Stabilität aufweist. Wir danken den Herren Gröbelbauer und Heer von Oerlikon Space für ihr Vertrauen in unser TRITOP Messsystem und für ihr interessantes und sehr ausführliches Paper: Development of a Dimensinally Stable Lightweight Structure for the LISA Pathfinder Science Module. Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)

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