Vibroakustische Metamaterialien zur Schwingungsminderung an Raketenkomponenten

Raumfahrt, Schwingungsminderung, Vibroakustische Metamaterialien

In der Raumfahrt werden immer effizientere und leichtere Lösungen für alle Systeme und Komponenten zur optimalen Wirtschaftlichkeit von Launchersystemen angestrebt. Oft sind jedoch solche Lösungen mit Schwingungsproblemen verbunden. Im Projekt »Silent Running« werden Raumfahrtkomponenten mit vibroakustischen Metamaterialien zum optimierten strukturdynamischen Verhalten entwickelt. Vibroakustische Metamaterialien stellen eine neuartige Maßnahme zur Schwingungsminderung dar und versprechen Vorteile in der Beeinflussung des Schwingungsverhaltens gegenüber konventionellen Maßnahmen.

Entwicklungstrends Leichtbau und Raumfahrt

Um wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen für Trägerraketen alle Auslegungs- und Operationsaspekte perfekt optimiert sein. Eines dieser Aspekte ist der Leichtbau bei Raketenkomponenten. Daher werden zunehmend metallische Werkstoffe mit Faser-Kunststoff-Verbunden ersetzt. Dies geht allerdings mit einer erhöhten Schwingungsbelastung, insbesondere während der Startphase, einher, welche zu Schäden an Struktur und Nutzlast führen können.

Entwicklung von vibroakustischen Metamaterialien für Raumfahrtkomponenten

Im Projekt »Silent Running« (INNOspace Masters Challenge von DLR) wird am Fraunhofer LBF der Einsatz von vibroakustischen Metamaterialien zur Minderung der Strukturschwingungen an Trägerraketenkomponenten untersucht. Vibroakustische Metamaterialien sind spezifisch ausgelegte Strukturen bestehend aus einer Mehrzahl von periodischen Resonatoren, die auf das Zielbauteil aufgebracht werden. Die Interaktion der lokalen Resonanzen mit der Grundstruktur bei Belastungen während des Raketenstarts ermöglicht eine effiziente Schwingungsminderung im vorher definierten Frequenzbereich. Dieser Frequenzbereich wird als Stoppband bezeichnet und stellt den Hauptvorteil gegenüber konventionellen Schwingungsminderungsmaßnahmen wie z.B. Tilgern dar.

In Zusammenarbeit mit Herstellern von Raketenkomponenten werden relevante Frequenzbereiche und Anforderungen an die vibroakustischen Metamaterialien zur Schwingungsminderung an Raketenstufen definiert. Gemeinschaftlich werden Konzepte für verschiedene Materialien und Topologien erarbeitet.

Der Schwerpunkt der Arbeiten am LBF liegt in der Untersuchung des dynamischen Verhaltens der zu betrachtenden Komponenten sowie in der detaillierten numerischen Auslegung von Konzepten. Zunächst werden die ausgewählten Konzepte an planaren Demonstratoren zur Funktionsüberprüfung umgesetzt und experimentell untersucht. Das favorisierte Konzept wird folglich an zylindrischen Demonstrator aufgebracht, welcher eine skalierte Raketenoberstufe mit vibroakustischen Metamaterialien darstellen soll.