Raumfahrt
Einleitung
Lange Jahre war der Automobilbereich bei Merkle CAE Solutions Technologietreiber für komplexe Simulationen. Hier lernten wir den Umgang mit komplexer Physik bei komplexen Modellen und entwickelten laufend neue Methoden, um den Einsatzbereich der Simulation immer mehr zu erweitern. Durch die Neuorientierung der Automobilindustrie in Richtung Elektromobilität ist dieser Trend etwas zum Erliegen bekommen.
Merkle CAE Solutions hat sich auf der Suche nach neuen, aufstrebenden Geschäftsfeldern in den letzten Jahren zunehmend im Bereich Raumfahrt etabliert und hier gemeinsam mit OHB System AG eine strategische Partnerschaft etabliert. Auch mit der ESA kommen wir zunehmend direkt ins Geschäft, aktuell läuft hier bereits ein Projekt unter ESA Spark Funding.
Nachstehend sind einige aktuelle Projekte im Bereich Raumfahrt angegeben, die wir in den letzten Jahren gemeinsam mit OHB System AG durchgeführt haben und durchführen.
Purging
Um das Risiko der Kontamination für kritische Satellitenkomponenten bei der Lagerung oder während der Integration zu reduzieren, werden sie mit reinen Gasen (Luft, Stickstoff) umspült. Durch die gerichtete Strömung wird das Risiko einer Anlagerung von Partikeln auf kritischen Oberflächen verhindert. Über die Simulation lassen sich hierbei die Effektivität der Luftführung, die Identifikation und Bewertung von möglichen Totwassergebieten, i.e. Bereichen die nicht durchströmt werden, sowie die Auslegung (Flussrate) des verwendeten Gasstroms und die Position und Größe möglicher Ein- und Auslassöffnungen festlegen.
Hot Purging
Im All kommt es durch das Vakuum zu Ausgasungen und Absonderungen von flüchtigen Komponenten aus nichtmetallischen Werkstoffen (z. B. Kabel, Kunststoffabdeckungen, Farben). Auch Wasser ist in verschiedenen Applikationen kritisch. Anlagerungen oder Kondensation der Moleküle oder Partikel auf thermisch aktiven oder optischen Oberflächen (Linsen oder Spiegeln), kann zu einer Reduzierung der Performance oder einer Gefährdung des Missionsziels führen. Um das Eintrittsrisiko so weit wie möglich zu reduzieren, werden beim sogenannten Hot Purging diese Kontaminationsarten vor dem Einsatz der Komponenten im All durch erhöhte Temperaturen des stickstoffbasierten Spülungsstromes reduziert oder entfernt.
Die Konzentration der Verdunstungsemission ist in den folgenden Bildern eines Detailmodells farblich dargestellt.
Ziel der Simulation ist die Bewertung, ob alle potentiell ausgasenden Komponenten gleichmäßig vom Gasstrom erfasst werden und ob Emissionen vom Bauteil weggeführt werden.
Coral
Contamination Risk at Launch
Ein erhebliches Risiko bzgl. Kontamination und damit verbundenen Performace-Einbußen stellt die Launchkampagne dar, da während dieser Phase die Möglichkeiten zum Schutz der Satelliten sehr begrenzt sind. Quellen der Kontamination sind die zur Kühlung verwendete Luft, die Fairing, sowie eventuell mitfliegende Satelliten für andere Missionen.
Während der Startphase können sich über Vibrationen Partikel in der ganze Fairing über die Satelliten verteilen und diese unkontrolliert kontaminieren.
Diese Effekte machen wir über Partikelsimulationen an sehr detaillierten Modellen beteiligter Satelliten sichtbar und können so Aussagen über mögliche Ablagerung von Partikeln an dem Satelliten machen, um so mögliche Kontaminationsrisiken abschätzbar zu machen. Hierbei können Partikel von der Größe bis zu 5 µm simuliert werden
Partikelsimulationen in Verbindung mit der Strömung zählen heutzutage mit zu unseren aufwändigsten Simulationen. Im Extremfall können bis zu 30 Millionen Partikel betrachtet werden, typische Aufgabenstellungen liegen aber eher im Millionenbereich.
Reinkammern und Reinsträume
Die Montage von Satellitenkomponten und Satelliten findet in Reinräumen verschiedener Klassen, ISO 8 und besser, statt.
Hierzu hat Merkle CAE Solutions umfangreiche Untersuchungen durchgeführt. Von einem einfachen Arbeitsplatz, mit einer Filterwand und horizontaler Luftführung, bis hin zu einzelnen Hallen oder gar von Hallenkomplexen (Integrationshallen), die in unterschiedliche Zonen unterteilt sind. Hier können auch die Strömungsverhältnisse um die Satelliten betrachtet werden.
Der Vorteil der Simulation ist, dass bereits bei der Planung des Gebäudes Aussagen zum Verhalten des Reinraumes gemacht werden und die optimale Positionen von FFU´s (Fan-Filter-Unit) bestimmt werden können.
T-RE-X
Weitere spannende Fragestellungen sind aktuelle Forschungsthemen mit OHB zum Thema Mondstaub. Mondstaub, das sogenannte Regolith, ist sehr scharfkantig. Dies ist das Resultat von Milliarden von Jahren Mikrometeoriteneinschlägen auf dem atmosphärelosen Mond.
Auf der Erde wird Sand durch den Wind im Laufe der Zeit abgeschliffen. Dieser aber ist auf dem Mond nicht vorhanden.
Die Abrasivität führt zu großen Herausforderungen bei Mondlandungen, da Mondstaub in der Lunge extrem gesundheitsschädigend ist. Zudem werden Dichtungen bei Raumanzügen und Schleusen durch Regulith beschädigt. Es kommt zu optischen Problemen, wenn sich Helmvisiere oder Kameralinsen zusetzen. Dies wird durch die elektrische Ladung des Mondstaubs noch verschärft. Ebenso ist das Aufwirbeln des Mondstaubs beim Landen oder Starten von Raketen von hohem Interesse. Begegnen sich zwei Mondfahrzeuge, kommt es ebenfalls zu einer gegenseitigen Beeinflussung.
Bei dem gemeinsamen Forschungsprojekt T-RE-X geht es für uns in erster Linie darum, das Verhalten von Mondstaub unter Vakuumbedingungen und niedriger Gravitation zu beschreiben und mit Versuchsergebnissen abzustimmen.
Hierzu setzen wir u. a. die Software Paladin vom Fraunhofer IST und Molflow vom CERN ein.
Nähere Informationen zum Thema Mondstaub finden Sie auch unter unserem Blogartikel "Mondstaub - Killerkriterium für längere Mondmissionen?"
Netzwerke
Im Rahmen der gemeinsamen Zusammenarbeit von Merkle CAE und OHB in Netzwerken wie Space2Health (Raumfahrt/Medizin) und Space2Motion (Raumfahrt/Automobilität), geht es um Themen, wie Raumfahrttechnologien in anderen Branchen genutzt werden können, bzw., wie Technologien aus diesen Branchen sinnvoll in der Raumfahrt angewendet werden können.
Ein Paradebeispiel dafür sind Cleanliness-Engineering Ansätze aus der Raumfahrt, beim Bau von Satelliten, während Pandemien (wie bspw. Corona) für Klassenzimmer zu nutzen, um die Ausbreitung des Erregers einzudämmen. Hieraus ergaben sich weitere Ansätze, um das Lüftungsverhalten von OP-Sälen in Krankenhäusern hinsichtlich der Ausbreitung von Krankenhauskeimen zu vermessen, zu simulieren und zu optimieren. Weitere Aufgabenstellungen aus der Medizin, z. B. die Erzeugung von Winterschlaf über Stimulation mit Ultraschall, sind wiederum für die Raumfahrt bei Marsmissionen interessant.
Zusammenfassung und Ausblick
Die bemannte Raumfahrt und interstellare Missionen sind ohne Nutzung moderner und nicht verstaubter Methoden im Bereich der Simulation nicht mehr denkbar. Denkt man z. B. an den Bau einer bemannten Station auf dem Mond, kommen neue Themen auf uns zu, wie z. B. das Aufwirbeln des Mondstaubs beim Start oder der Landung von Landungsfahrzeugen. Hierzu haben wir die geeigneten Werkzeuge, die nötige Rechenpower, vor allem aber die Erfahrung bei der Beschreibung und der Simulation von physikalischen Vorgängen.
Das treibt uns an und dafür brennen wir.
Nutzen
Der Raumfahrtbereich hat ein großes Potential, die modernen Möglichkeiten der Simulation verstärkt zu nutzen. Durch unser jahrelanges Know-how können wir maßgeblich daran mitarbeiten, Kosten zu reduzieren und zusätzliche Einblicke durch die Simulation zu gewinnen. Der Nutzen der Simulation besteht darin, Dinge zu zeigen, die sonst unsichtbar sind und Szenarien zu simulieren, die auf der Erde nur schwer Versuchen zugänglich sind.
Simulation ist auch eine Frage des Vertrauens, nämlich dass die Simulation die realen Verhältnisse hinreichend genau beschreiben kann. Dieses Vertrauen kann man sich durch den Vergleich von Simulations- und Versuchsergebnissen oft auch in einem verkleinerten Maßstab gemeinsam erarbeiten.
Ist das gegenseitige Verständnis da und spricht man die Sprache des Geschäftspartners, lassen sich bislang noch sehr teure und aufwändige Prozesse wesentlich effizienter gestalten.
Normen und Standards
- ISO/TC 209
- ECSS-Q-ST-70-01C
- DIN EN ISO 14644
- u. v. a.
Stichworte
- CORAL
- ESA
- Hot Purging
- Kontamination
- Kreuzkontamination
- Launch
- OHB System AG
- Optik
- Partikel
- Purging
- Raumfahrt
- Reinraum
- Reinstraum
- Satellit
- Spiegel
Historie
Erste Projekte im Bereich der Raumfahrt haben wir bereits Anfang der 90er Jahre für AEG, später Thales, Tesat und Kayser Threde durchgeführt, die später von OHB System AG übernommen wurden. Themen waren hier in der Vergangenheit das Thermomanagement, das Verhalten bei Schock und Vibration von elektronischen Bauteilen, Verstärkerröhren, Leiterkarten und Leiterkartengehäusen. Später kamen Aufgaben aus dem militärischen Bereich von optischen Instrumenten dazu. Leichtbau und Bauteiloptimierung, aber auch Schadensanalysen standen oft im Vordergrund, wenn sich z. B. Lötverbindungen im Satelliten aufgrund thermischer Dehnungen mit der Zeit lösten.
Heute stehen aktuell mehr strömungstechnische Aufgaben im Vordergrund, die wir mit Hilfe diverser Strömungscodes im Bereich CFD lösen.