Jahresbericht 2019

Silent Running – Vibroakustische Metamaterialien zur Schwingungsminderung von Launcherstrukturen.

Vibroakustische Metamaterialien, passive Schwingungsminderungsmaßnahmen, Schwingungen in Launcherstrukturen

Ziel des Projekts Silent Running ist es, innovative schwingungsmindernde Funktionen in die neue Generation von Faserverbundstrukturen für die Luft- und Raumfahrt zu integrieren. Die Übertragung von ungewollten Schwingungen soll dabei durch vibroakustische Metamaterialien reduziert werden. Im Rahmen des Projekts soll ein Konzept zur Gestaltung und Auslegung von vibroakustischen Metamaterialien entwickelt, experimentell validiert und mit konventionellen Schwingungsminderungsmaßnahmen verglichen werden.

Vibroakustische Metamaterialien als passive Schwingungsminderungsmaßnahme

Die Auslegung von vibroakustischen Metamaterialien zur passiven Schwingungsminderung gehört zu den aktuellen Forschungsthemen im Fraunhofer LBF. Metamaterialien stellen künstlich hergestellte Strukturen dar, die aus mehreren Einzelelementen bestehen. Jedes Einzelelement ist dabei ein Feder-Masse-System, welches für eine definierte Frequenz eine Resonanz aufweist. Die Schwingungsminderung wird somit durch den lokalen Resonanz-Effekt ermöglicht, wobei relevante dynamische Parameter aufeinander abzustimmen sind. Die Massen- und Steifigkeitseigenschaften werden durch die entworfene geometrische Struktur von Einzelelementen und das verwendete Basismaterial definiert. In den definierten Frequenzbereichen können Schwingungsamplituden im Vergleich zu konventionellen Maßnahmen stark gemindert werden (s. Abb. 1).

Metamaterialien in und jenseits Raumfahrt

Die Launcherstrukturen sind vielfältigsten Schwingungsbelastungen je nach Startphase ausgesetzt. Strukturschwingungen treten während des gesamten Startes auf. Diese Schwingungen sind für sensible Elektronik oder die beförderte Nutzlast schädlich.

Im Projekt soll untersucht werden, inwieweit vibroakustische Metamaterialien zusätzlich auf die tragende Struktur oder direkt als tragende Struktur entworfen, und inwieweit die auftretenden Schwingungen gemindert werden können. Die Entwicklung dieser Technologie und deren Einsatz in der kommerziellen Raumfahrt erfolgt in Zusammenarbeit mit der MT Aerospace AG. Das Fraunhofer LBF beabsichtigt die Verwertung durch einen Technologietransfer in weitere Branchen neben der Raumfahrt.

Konzeption und numerische Auslegung

Die Arbeiten am Fraunhofer LBF konzentrieren sich auf die Konzeptionierung, Auslegung und numerische Untersuchung von vibroakustischen Metamaterialien. Gemeinschaftlich mit der MT Aerospace AG wurden drei Konzepte definiert. Der schwingungsmindernde Effekt soll anhand experimentell realisierter Demonstratoren validiert werden. Für die Abstimmung dynamischer Eigenschaften von Einheitszellen werden analytische sowie numerische Modelle aufgebaut. Der finale Demonstrator wird eine skalierte Oberstufe nachbilden und das Potenzial von vibroakustischen Metamaterialien aufzeigen.