Deformationsmessungen mit MoveInspect HR an ultraleichten Raumfahrtstrukturen von Forschungssatelliten des DLR
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- Emil Franke
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1 DLR.de Chart 1 an ultraleichten Raumfahrtstrukturen von Forschungssatelliten des DLR 16. AICON 3D Forum Braunschweig, 5. März, 2015 Martin Zander Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt.e.V. TU Braunschweig
2 DLR.de Chart 2 Inhalt DLR Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik - Forschungsthemen Ultraleichte, entfaltbare Weltraumanwendungen - Untersuchte Konzepte Anwendungen Experimentelle - Versuchsziele & Problemstellung - Versuchsprinzip, Messgrößen & Versuchsaufbau Messergebnisse und Vergleiche - Datenauswertung & Analyse - Laser vs MoveInspect HR Ausblick
3 DLR.de Chart 3 Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt Standort und Personal Circa Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter arbeiten in 33 Instituten und Einrichtungen in 16 Standorten. Büros in Brüssel, Paris, Tokio und Washington. Stade Hamburg Bremen Trauen Berlin Braunschweig Göttingen Jülich Köln Bonn Neustrelitz Lampoldshausen Stuttgart Augsburg Oberpfaffenhofen Weilheim
4 DLR.de Chart 4 Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik (FA) Multifunktionswerkstoffe Dr. P. Wierach Strukturmechanik Dr. T. Wille Funktionsleichtbau Dr. C. Hühne Mehr Funktion in den Werkstoff Mit uns können Sie rechnen! Unser Design für Ihre Struktur! Vom Werkstoff zum intelligenten Materialsystem Faserverbundwerkstoffe Nanocomposites Smart Materials Integrierte Bauteilüberwachung (Structural Health Monitoring) Werkstoffcharakterisierung Vom Phänomen über die Modellbildung zur Simulation Methoden des Gesamtentwurfs Stabilität Schadenstoleranz Strukturdynamik Thermalanalyse Multiskalenanalyse Prozesssimulation Von Anforderungen über Konzepte zu multi-funktionalen Strukturen Entwurf, Konstruktion, Berechnung Bauweisen und Bewertung Multifunktionale Strukturen Formvariable Strukturen Hybride Strukturen
5 DLR.de Chart 5 Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik (FA) Faserverbundtechnologie Dr. M. Kleineberg Maßgeschneiderte Fertigungskonzepte Adaptronik Dr. H. P. Monner Die Adaptronik-Pioniere Verbundprozesstechnologie Dr. F. Kruse Forschen im Industriemaßstab Von der Idee bis zum Prototypen und darüber hinaus Von der Struktur zum adaptiven System Für den nachhaltigen Gesamtprozess Neue Fertigungs-Verfahren Hybride Fertigung Reparatur / Fügen Prozessautomatisierung Aktive Vibrationsunterdrückung Aktive Lärmreduktion Aktive Gestaltkontrolle Autarke Systeme Simulation und Demonstration adaptiver Gesamtsysteme Automatisiertes FP und TL Online QS im Autoklaven automatisierte Bauteilherstellung in großen Stückzahlen Simulationsmethoden für maximale Zuverlässigkeit und Bewertung der Prozesse
6 DLR.de Chart 6 Unsere Forschungsgebiete Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten an Materialsystemen und Strukturen im Leichtbau Zielen auf Funktionalität Kosteneffizienz Sicherheit Komfort Umweltverträglichkeit Zukunftsforschung Grundlagenorientierte Forschung Anwendungsforschung Produktorientierte Forschung Hochleistungsleichtbau Luftfahrt Verkehr Raumfahrt Energie
7 DLR.de Chart 7 Raumfahrtstrukturen am Institut FA - Modifikationen und Materialkombination von CFK- Hybriden - Strukturauslegung von Raketenstufen aus CFK - Auslegung, Berechnung und Herstellung von Lander-Strukturen für Asteroiden und Kometen - Auslegung, Berechnung, Bau und Versuche von entfaltbaren, ultraleichten Strukturen für Sonnensegel, De-Orbitierungs-Segel, Solarpanele und Membranantennen - CFK-Tanks für Forschungssatelliten
8 DLR.de Chart 8 Entfaltbare, ultra-leichte Weltraumstrukturen am DLR Konzept Sonnensegel Gossamer-1: - In-Orbit Technologie Demonstrator - 5 m x 5 m quadratisches Segel - 4 Folien-Segel-Quadranten (7,5 µm dünn) - 2 ca. 8,6 m lange, entfaltbare, ultraleichte CFK-Masten (Booms),40 g/m - Segelquadranten und Booms werden durch elektr. Entfaltungseinheiten - Geplante Entfaltungsdemonstration in 320 km Höhe (LEO) - Zukünftig: - 50 m x 50 m und größer Gossamer-1 ein Sonnensegel-Forschungssatellit
9 DLR.de Chart 9 Entfaltbare, ultra-leichte Weltraumstrukturen am DLR Sonnen-Segel Demonstrator Gossamer-1 Zentraleinheit (Bus) CFK Boom Segelquadrant Photovoltaic
10 DLR.de Chart 10 Entfaltbare, ultra-leichte Weltraumstrukturen am DLR Entfaltungsversuche am Boden - Diverse Entfaltungsversuche mit verschieden großen Segel-Systemen - Booms sind tragende Struktur bei allen Segel Systemen (am DLR entwickelte) 20 m x 20 m Bodendemonstrator DLR/ESA 4 m x 4 m Bodenentfaltung eines De-Orbitierungs Segels
11 DLR.de Chart 11 Entfaltbare, ultra-leichte Weltraumstrukturen am DLR Tragende Strukturen Masten (Booms) Entfaltbare, ultra-leichte CFK-Masten - Derzeit aus einlagigem CFK- Prepreg gefertigt (ca. 0,14 mm Dicke) - Fertigbare Längen von > 1m bis 14 m - Diverse Querschnittsgrößen - Längengewichte von 20 bis 90 g/m - Autoklavlose Fertigung - Verstauen zum Transport: - Flachdrücken + Aufrollen
12 DLR.de Chart 12 Entfaltbare, ultra-leichte Weltraumstrukturen am DLR Fertigung und Versuche DLR Space Structres Uni - Enge Kooperation mit Partnerinstitut IAF- Institut für Funktionsintegration und Adaptronik, der TU Braunschweig - Hier Fertigungs- und Versuchsanlagen - Bündelung von Kompetenz für Entfaltbare Weltraumstrukturen von DLR und TU BS DLR Space Structures Uni Fertigungs- u. Versuchslabor
13 DLR.de Chart 13 Problemstellung & Versuchsziel Auftretende Boom-Lasten: - Symmetrisch im Idealfall - Asymmetrisch im Real-Fall - Deformation der Booms durch Lasten - Kann zum Einknicken der Booms führen Segel-Boom-System kollabiert Verlust Segelfunktion F s4 F s3 Lasten auf Segelsystem F s2 F s1 Ziel: - Mechanische Charakterisierung der Booms - Nutzung der gewonnenen Daten zur Vorhersage
14 DLR.de Chart 14 Boomlasten - Primäre Lasten auf Booms entstehen während der Entfaltung und zum Spannen der Segel während des Betriebes - Kombinationen aus Primärlasten Querkraft-Biegung in Flaschebene (Fx) Querkraft-Biegung aus der Flanschebene (Fy) Axialer Druck (Fz) Kombination: Querkraftbiegung + axialer Druck
15 DLR.de Chart 15 Boom Teststand Versuche im vertikalen Boom- Teststand - Über 2 Etagen (zukünftig 3 Etagen) - Boomlängen von 1 m bis 6 m getested - Verschiedene Boom-Querschnitte - Nutzung des MoveInspect HR (2 Kameras) - Messfrequenz: 8 Hz - MoveInspect HR von externem PC getriggert - Zusammenführung von Messdaten über Textdateien in Excelforlagen - Messung von Translationen u. Rotationen in allen Raumrichtungen - Vergleichsmessungen mit Lasertriangulatoren Hallendecke 1. OG EG KG 13.5 m Zukünftige Erweiterung Obere Teil mit Boom- Einspannung Unterer Teil - Gestell mit Sensoren & Aktoren
16 DLR.de Chart 16 Boom Teststand
17 DLR.de Chart 17 Boom Teststand - Unterer Teil des Boom Teststandes ist der messende und Kraftaufbringende Teil des Teststandes - Auslegerarme sind verstellbar und können an benötigten Kraftangriffswinkeln angepasst werden Eingespannter CFK-Boom MoveInspect PC Messrechner m. LabView Sensor & Last Gestell MoveInspect HR
18 DLR.de Chart 18 Boom Teststand - Obere Teil des Boom Teststandes (auf EG) Boom-Einspannung an höhenverstellbarem Tisch Oberes Gerüst (EG) mit Tischführungen
19 DLR.de Chart 19 Boom Teststand Last-Adapter mit Targets: - Zur Lasteinleitung in dünnwandige Booms mit Querschnittfixierung - Zur 3D-Deformationsmessung der Boomspitze - Mit 3D-Drucker aus Kunststoff - Über Targets virtueller Mittelpunkt der Boomspitze definiert - Zusätzliche Schirme für Lasermessung - Translationen + Rotationen messbar - Für jeden Boomquerschnitt - Für verschiedene Belastungen (symmetrisch, asymmetrisch) unterschieldiche Adpater für verschiedene Boomquerschnitte
20 DLR.de Chart 20 Lastaufbringung - Steifigkeitsbestimmung - Max. Last und Auslenkung - In beide Flansch Seiten - In beide Konvexe Seiten Torsion: - Steifigkeitsbestimmung Boom-Flansch-Ebene Uni-Axialer Druck: - Steifigkeitsbestimmung - Max. Last und Auslenkung Aufgebrachte Lastarten an Booms
21 DLR.de Chart 21 Versuchsdurchführung
22 DLR.de Chart 22 Versuchsdurchführung
23 DLR.de Chart 23 Messergebnisse & Vergleiche Messgrößen/Ergebnisse: - Bilder von Knick/Beulverhalten - Versagensstelle (gemessen von Einspannung) - Seilkräfte - Auslenkungen in X, Y, Z Richtungen, RotX, RotY, RotZ aus MoveInspect - Auslenkungen aus Lasermessungen (X, Y, Z) Boom Deformationen
24 DLR.de Chart 24 Messergebnisse & Vergleiche Analyse: - Zusammenführen aus MoveInspect- Daten, Laser-Daten und Kraftsensordaten in Excelvorlagen - Charakteristische Kraft- Auslenkungsdiagramme werden erzeugt - Anfangs linear elastisches Verhalten (Berechnung v. Steifigkeiten) - Erstes Beulen der Boomschalen (lokal) nicht-linear - Erreichung des Kraftmaximums - Versagen (Knicken) tritt ein - Nach Wegverringerung wieder lineares Verhalten Kraftmaximum Kraftmaximum & Versagen (Knicken) Versagen (Knicken) Lastabfall (Knicken) Charakteristisches Kraft-Auslenkungsdiagramm
25 DLR.de Chart 25 Messergebnisse & Vergleiche Laser vs MoveInpsect: - Lasertriangulator misst nur 1 Richtung 3 Laser notwendig - Verkippen der Laser-Reflektionsschirme steigender Einfluss bei größeren Auslenkungen - Laser-Messfläche wandert aus Messachse bei steigender Auslenkung Nachstellen notwendig - Laser hat höhere Messfrequenz (für dynamische Ereignisse geeignet Schwingungsanalyse) Fazit: - MoveInspect HR für Boomversuche wesentlich geeigneter und genauer - Laser für sehr kleine Auslenkungen bzw. Schwingungsversuche Laser vs MoveInspect
26 DLR.de Chart 26 Ausblick - Weitere Messungen von verschiedenen Booms geplant - Nach Erweiterung des Boom- Versuchsstandes Charakterisierung von 13,5 m langen Booms - Anpassung und Anbindung von LabView Software an MoveInspect Software Online Zusammenführung von Messdaten auf einem Rechner - Automatische Rohdatenauswertung mit Matlab bzw. Python-Skripten - Anwendung von MoveInspect HR auf andere Hardware-Tests z.b. Boom-Entfaltungsversuchen
27 Kontakt Martin Zander Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik Funktionsleichtbau Lilienthalplatz Braunschweig Telefon: Martin.Zander@dlr.de Technische Universität Braunschweig Institut für Adaptronik und Funktionsintegration Langer Kamp Braunschweig Telefon: Martin.Zander@tu-braunschweig.de
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