Fragmentierung im Orbit gefährdet Satelliten

Auf dem Weg zu prognosefähigen Modellen

Schematische Schrägansicht der modellierten Sandwich-Struktur mit einem von zwei CFK-Verbundplatten verkleideten Honigwaben-Aluminium-Kern.
© Fraunhofer EMI
Schräg- und Frontalansicht des Fragmentierungsmusters nach dem Einschlag der Sandwichstruktur durch ein 5 Millimeter großes Projektil (Wabenkern ausgeblendet).

Nach 60 Jahren Raumfahrt nimmt die Verschmutzung vielgenutzter Erdumlaufbahnen durch Raumfahrtrückstände kritische Dichten an. Der Großteil dieser als Space Debris bezeichneten Objekte stammt aus Explosionen und Zusammenstößen, wobei letztere sowohl unabsichtliche Kollisionen als auch die geplante Demonstration militärischer Antisatellitenmaßnahmen umfassen. Angesichts der im Aufbau befindlichen Konstellationen tausender Satelliten und der zunehmenden Bedeutung des Weltraums als militärische Ressource ist ein Verständnis von katastrophalen Fragmentierungen von Satelliten und deren Konsequenzen essenziell. Numerische Simulationen zum Nachstellen solcher Vorgänge sind sehr komplex und aufwendig. Um für eine Analyse verschiedener Kollisionsszenarien realistische Computerrechenzeiten und repräsentative Ergebnisse zu erzielen, sind Entwicklungen von Material- und Ersatzmodellen für komplexe Strukturen notwendig. Dies war der Inhalt des erfolgreich abgeschlossenen Vorhabens DiFraO (Disruptive Fragmentierungsereignisse im Orbit).

Um die Fragmentierungsdynamik nach dem Impakt eines Objekts mit einem Satelliten vorherzusagen, wurde auf Laborversuche und numerische Simulationen mit dem EMI-eigenen Code SOPHIA zurückgegriffen. Der Fokus richtete sich dabei auf Sandwich-Bauteile, da sie ein wichtiger Strukturwerkstoff der Primär- und teils auch der Sekundärstruktur von Satelliten darstellen.
 

Von der Modellierung eines hochdetaillierten Satellitenbauteils…

Um die Impakteinwirkung auf Sandwich-Bauteile beurteilen zu können, muss deren komplexe Geometrie, die aus einem von CFK-Verbund-Platten verkleideten Honigwaben-Aluminium-Kern besteht, mit hohem Detailgrad modelliert werden. Somit können über den Beschuss der Sandwich-Struktur durch ein Projektil lokale Effekte, insbesondere der Kanalisierungseffekt, bei dem die Wabenzellen als Treibkanal für die Fragmente agieren, abgebildet werden. Außerdem liefern experimentelle Beschussversuche mithilfe hoch spezialisierter Instrumentierung Erkenntnisse über die in der Sandwich-Struktur hinterlassenen Schadensbilder sowie statistische Verteilungen von Observablen wie Fragmentflugwinkel und -geschwindigkeit. Ein Abgleich zwischen numerischem Modell und Experiment wurde somit erzielt.
 

… über die Herleitung eines Ersatz-Satellitenbauteils …

Die Integration von hochdetaillierten Sandwich-Strukturen in reale, mehrere Meter große Satellitenstrukturen lässt sich aufgrund des hohen induzierten Rechenaufwands nicht leicht realisieren. Stattdessen wurde vorgeschlagen, die Wabenzellen und das geometrische Gitter hochzuskalieren, ohne dabei den wichtigen Kanalisierungseffekt zu verlieren. Die Gültigkeit des resultierenden Ersatz-Modells wurde durch den Vergleich des von den Fragmenten getragenen Impuls als Funktion ihres Flugwinkels mit dem originalen, unskalierten Modell überprüft.

© Fraunhofer EMI

© Fraunhofer EMI
Ansicht des Fragmentierungsmusters nach dem Einschlag eines Satelliten mit eingebautem Ersatz-Sandwich-Modell durch einen CubeSat.
© Fraunhofer EMI
Ansicht des Fragmentierungsmusters nach dem Einschlag eines Satelliten mit eingebautem Ersatz-Sandwich-Modell durch eine herbeigeführte Trümmerwolke.

… bis hin zur Anwendung auf großskalige Impaktszenarien.

Anschließend wurde das verifizierte Ersatz-Modell an einer vordefinierten Aufprallstelle eines generischen Satellitenmodells eingebettet. Der direkte Beschuss des Satellitengrundkörpers durch würfelförmige, einige zehn Zentimeter große Satelliten, sogenannte »CubeSats«, ruft zwei Fragmentkanäle, einen in Schussrichtung und einen entlang der Wabenzellen, hervor. Der an kritischen Teilen des Satelliten (beispielsweise des Treibstofftanks) angerichtete Schaden kann je nach Impaktbedingungen mehr oder weniger hoch ausfallen. Der indirekte Beschuss des Satellitengrundkörpers durch eine bewusst herbeigeführte Trümmerwolke, die durch eine primäre Kollision mit einem Solarpaneel entstanden ist, zeigt, dass die bereits stark dissipierte Energie und die hohe Zerstreuung der Fragmente eine deutliche Reduktion des Schädigungsgrads im Satelliteninnern mit sich bringt und somit die Gefährdung deren Integrität deutlich mindert.
 

Ausblick

Der erfolgreiche Abschluss des DiFraO-Projekts bietet wichtige Perspektiven zur Verbesserung der Prognosefähigkeit von Satellitenkollisionen. Insbesondere können physiknähere Versagensansätze mit Hinblick auf eine starke Reduktion der Netzabhängigkeit eruiert werden, sodass eine flächendeckende Integration des Ersatzmodells einer Sandwich-Struktur in komplette Bauteile eines großskaligen Satelliten realisierbar ist. Damit konnte die Leistungsfähigkeit und Aussagekraft von numerischen Simulationen katastrophaler Kollisionen im Orbit deutlich verbessert werden. 

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