Vibroakustische Metamaterialien zur Schwingungsminderung an Raketenkomponenten

In der Raumfahrt werden immer effizientere und leichtere Lösungen für alle Systeme und Komponenten zur optimalen Wirtschaftlichkeit von Launchern 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 mechanischen 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 definierten Frequenzbereich. Dieser Frequenzbereich wird als Stoppband bezeichnet und stellt den Hauptvorteil gegenüber konventionellen Schwingungsminderungsmaßnahmen wie z.B. Tilgern dar.

Der Einsatz vibroakustischer Metamaterialien wird im Projekt an einer zylindrischen Komponente, die z.B. eine Launcheroberstufe darstellt, demonstriert. Dafür wird als finaler Demonstrator eine skalierte zylindrische Struktur aus Faser-Kunststoff-Verbund mit vibroakustischen Metamaterialien in differenzieller Bauweise (d.h. Resonatoren werden zusätzlich auf die Zielstruktur aufgebracht) umgesetzt. Das Stoppband soll im Bereich um 100 Hz liegen. Eine breitbandigere Schwingungsminderung im Bereich bis 500 Hz ist jedoch aufgrund komplexer Anregungsprofile ebenso wünschenswert. Darüber hinaus darf die zusätzliche Masse durch die Schwingungsminderungsmaßnahme 18 % relativ zur Referenzstruktur nicht überschreiten.

Die Entwicklungsschritte umfassen den Konzeptentwurf einzelner Resonatoren, Validierung auf dem Resonator-Niveau, Umsetzung als Verbund sowie die Auswahl der besten Variante für den finalen Demonstrator.

Resonatordesign experimentell umgesetzt

Für die gestellten Anforderungen wurden drei Konzepte erarbeitet und experimentell untersucht. Die Anforderungen an die niedrige Eigenfrequenz der Resonatoren sowie hohe Dämpfungseigenschaften resultieren in der Auswahl weicher elastischer Materialien. 

Da alle Konzepte das gewünschte Schwingungsverhalten erreichen können, wurde das favorisierte Konzept für die Umsetzung am finalen Demonstrator nach folgenden Kriterien ausgewählt:

• Einfache Herstellung (Einsatz von Halbzeugen ist bevorzugt)
• geringe Stückzahl
• Hohe Robustheit gegenüber der Startlasten

Das ausgewählte Konzept stellt einen Stabresonator dar. Das Feder-Element des Resonators ist ein Hohlzylinder aus Polyurethan und das Massenelement ist ein Vollzylinder aus Stahl. Die skalierte Launcherkomponente ist durch einen Zylinder in den Maaßen  mit der Wanddicke von  umgesetzt. Darauf wurden 150 Resonatoren aufgebraucht und experimentell charakterisiert.

Das gewünschte Schwingungsminderungsverhalten im Bereich von 100 bis ca. 200 Hz konnte um die Faktoren bis 60 dB reduziert werden. Ein breitbandiges Dämpfungsverhalten wurde im Frequenzbereich bis 600 Hz beobachtet. Dies bestätigt die Wirksamkeit des Konzeptes und zeigt das hohe Potenzial vibroakustischer Metamaterialien für die Raumfahrtstrukturen auf.