F. Möller, E. Franzen, S. Holzhauer, R. Förstner

Dieser Beitrag gliedert sich in 3 Bereiche: Im ersten Teil werden Ansätze aufgezeigt, wie die dimensionale Stabilität von Satellitenstrukturen durch passive und aktive Kontrollmethoden verbessert werden kann. Die vorgestellten Sensor- und Aktuatorstrategien werden dazu von einem speziellen geschlossenen Filter-Regler-Ansatz abgegrenzt. Dieser Ansatz zur aktiven Kontrolle thermisch induzierter Verschiebungen wurde bereits in früheren Arbeiten theoretisch vorgestellt und praktisch validiert. Im zweiten Teil des Beitrags soll untersucht werden, ob durch eine Erweiterung um zwei zusätzliche Kontroll-Heizelemente eine verbesserte Verschiebungskompensation bei gleichzeitiger Senkung der Gesamtheizleistung realisierbar ist. Versuche in der Thermal-Vakuumkammer zeigten, dass die Verschiebungen in der Struktur ähnlich gut wie in früheren Konfigurationen kompensiert werden können, allerdings ohne die Kontroll-Heizleistung zu reduzieren. Im dritten Teil des Beitrags wird der Einsatz von Peltier-Elementen als Alternative zu den Heizelementen untersucht. Um eine Kühlung durch Kontroll-Heizelemente zu erreichen, müssen diese im stationären Zustand dauerhaft mit einer Referenzleistung betrieben werden. Ein Absenken dieser Leistung führt zu einer Verringerung der Wärmelast und damit einer Kühlung gegenüber des Ausgangszustands. Peltier-Elemente verfügen über eine heiße und eine kalte Seite, welche abhängig von der Richtung des Stromflusses variiert werden kann. Der dauerhafte Betrieb dieser Elemente zur Etablierung einer Referenzleistung ist nicht notwendig. Die Untersuchungen zeigten, dass eine aktive Kühlung sowie Erwärmung durch Umpolung der Elemente erreicht werden kann. Der Kühleffekt ist jedoch durch den Temperaturgradienten innerhalb des Elements und die Fähigkeit der Abstrahlung der Element-Rückseite begrenzt. Die durch das Modell des Filter-Regler-Ansatz berechneten, notwendigen Kontroll-Wärmeströme können, im Gegensatz zu den Heizelemente, bei denen eine direkte Korrelation zwischen anliegender Leistung und erreichtem Wärmestrom besteht, durch die Peltier-Elemente nicht abgebildet werden. Zusätzliche Nicht-Linearitäten erschweren die Aufstellung von Übertragungsfunktionen.

This article is divided into 3 areas: The first part shows approaches to how the dimensional stability of satellite structures can be improved through passive and active control methods. The sensor and actuator strategies presented are differentiated from a special closed filter-controller approach. This approach to actively control thermally induced displacements has already been theoretically presented and practically validated in previous work. The second part of the article will examine whether improved displacement compensation while simultaneously reducing the overall heating output can be achieved by adding two additional control heating elements. Tests in the thermal vacuum chamber showed that the shifts in the structure can be compensated for as well as in previous configurations, but without reducing the control heating output. The third part of the article examines the use of Peltier elements as an alternative to heating elements. In order to achieve cooling through control heating elements, they must be permanently operated at a reference power in a stationary state. Reducing this power leads to a reduction in the heat load and thus cooling compared to the initial state. Peltier elements have a hot and a cold side, which can be varied depending on the direction of current flow. The continuous operation of these elements to establish a reference performance is not necessary. The investigations showed that active cooling and heating can be achieved by reversing the polarity of the elements. However, the cooling effect is limited by the temperature gradient within the element and the radiating ability of the back of the element. The necessary control heat flows calculated by the model of the filter-controller approach cannot be represented by the Peltier elements, in contrast to the heating elements, where there is a direct correlation between the applied power and the heat flow achieved. Additional non-linearities make it difficult to set up transfer functions.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2023, Stuttgart

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2023

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 17 Seiten

urn:nbn:de:101:1-2023111012570700626510

10.25967/610249

Strukturstabilität, aktive Strukturstabilisierung, Peltier-Elemente, Smart Structures, Meta-Materialien

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Möller, F.; Franzen, E.; et al. (2023): Modellierung, Analyse und Erprobung von Sensor- und Aktuatorstrategien für die aktive Strukturstabilisierung. Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V.. (Text). https://doi.org/10.25967/610249. urn:nbn:de:101:1-2023111012570700626510.

10.11.2023