Verifikation von Konzepten zur Anbindungsverbesserung von aufrollbaren Leichtbaumasten an Satellitenstrukturen
In der Raumfahrt haben Ingenieurinnen und Ingenieure schon immer versucht, das Maximum aus den begrenzten Nutzlastvolumen von Raketen herauszuholen. Anbauteile, deren Funktionen von ihrer Größe abhängen, wurden frühzeitig als ausklappbar und selbstentfaltend ausgelegt. Die prominentesten Beispiele hierfür sind sicher die ausklappbaren Solarkollektoren an Satelliten.
Forschende am DLR Institut für Faserverbundleicht und Adaptronik erforschen entfaltbare Raumfahrtstrukturen seit nunmehr zwei Jahrzehnten. In dieser Zeit wurden verschiedenste Entfaltungskonzepte für Solarkollektoren, Instrumententrägermasten, Sonnensegel und Bremssegel entwickelt, die zumeist auf einem sehr universalen und extrem effizienten Grundträger beruhen: Aufrollbare, hohle Masten aus extrem dünnwandigem Kohlefaserverstärktem Kunststoff.
Da mit einem solchen Mast allein allerdings noch keine entfaltbare Struktur gebaut werden kann, wurden auch diverse Entfaltungskontrollmechanismen entwickelt, die sowohl den starken Selbstentfaltungsdrang des Masts kanalisieren als den Mast selbst stabil mit dem tragenden Satelliten verbinden. Diese stabile Verbindung ist zwingend notwendig damit der Mast z.B. während der Entfaltung parallel ein Bremssegel aufspannen kann oder der Satellit – auch nach dem Entfalten der Strukturen - noch Lageregelungsmanöver durchführen kann.
Über die vielen Entwicklungen ist dabei immer wieder aufgefallen, dass diese Stabilität ausgerechnet an dem Punkt minimal ist, an dem der Mast den Abrollmechanismus verlässt. Genau diese Stelle ist im Betrieb aber oft am höchsten belastet. Um dieses technische Dilemma zu lösen, wurden zwei neue Entfaltungskontrollmechanismen entwickelt. Bei beiden Konzepten wird der Mast an dieser kritischen Stelle auf unterschiedliche Weise unterstützt.
Im Parabelflug sollen beiden Mechanismen zeigen, wie gut die Entfaltung der Masten automatisch in Schwerelosigkeit ablaufen kann. Das zweite Konzept besitzt sogar einen „Rückwärtsgang“ und kann sich auch automatisch wieder einfahren.
Um zu bewerten, wie sich die Verbesserungen auf die Stabilität (technisch korrekt: Biegesteifigkeit) auswirken, werden Ausschwingtests vorgenommen. D.h. der ausgefahrenen Mast wird am freien Ende per Hand ausgelenkt (verbogen), losgelassen und die resultierende Schwingbewegung gefilmt. Die spätere Auswertung der Videodaten zeigt, welcher Mast wie schnell schwingt. Hier gilt dann: Je schneller die Mastspitze schwingt, desto steifer die Verbindung und desto besser die Anbindung an den Satelliten.