Übersicht

Das Forschungsmodul LISA (Laser Interferometry Space Antenna) Pathfinder ist ein von der Oerlikon Space AG geplanter und gebauter Satellit für ESA/Astrium. Dieser Satellit soll Messgeräte, die Gravitationswellen nachweisen können, im Einsatz testen. Dazu werden, im All, kurze Distanzen zu Referenzkörpern (ca. 40 cm) innerhalb des Satelliten hochgenau vermessen. Basierend auf den gesammelten Erkenntnissen soll ab dem Jahr 2015 ein Satellitennetzwerk in Betrieb genommen werden, welches die Distanzen der einzelnen Satelliten zueinander (ca. 5 Millionen Kilometer) hochgenau vermisst.

Um die thermische Formstabilität der bestehenden Struktur zu bestimmen, wird sie in einer Klimakammer (METAS in Bern) bei unterschiedlichen Temperaturen vermessen. Eingesetzt werden ein hochgenaues Laser-Interferometer zur Vermessung einzelner Abstandsänderungen im Inneren der Struktur, und die Fotogrammetrie zur Vermessung der äußeren, globalen Verformung der Struktur. Die Messresultate wie auch die FEM Berechnungen werden zueinander in Bezug gesetzt und analysiert.

Der LISA Pathfinder Satellit wurde bei der Oerlikon Space AG als achtseitiges Prisma mit einer Höhe von 820 mm und einem Durchmesser von 1800 mm aufgebaut. Die Zentraleinheit besteht aus einem sehr steifen Innenzylinder, mit ca. 820 mm Durchmesser. Daran angebaut sind acht Wandelemente. Acht Außenwände und die oberen und unteren Deckplatten bilden die Außenhaut, (s. Bild 1).

Laserinterferometrie-Messung

In Bild 2 dargestellt sind die Struktur und ihr Aufbau in der Klimakammer der METAS. Mit dem Laserinterferometer werden Distanzänderungen innerhalb des Satelliten mit direkter Sichtverbindung bei verschiedenen Temperaturen hochgenau vermessen. Nach jedem Temperaturzyklus wird das Laserinterferometer mit den Messspiegeln versetzt und neu positioniert, um einen neuen Distanz-Änderungs-Messwert bei verschiedenen Temperaturen zu erfassen. Insgesamt werden so 16 Distanzänderungen innerhalb des Satelliten in Funktion der Umgebungstemperatur mit höchster Präzision vermessen.

Zur Fotogrammetriemessung werden Marken auf die zu vermessende Struktur aufgebracht, zudem werden zwei Maßstäbe (gelbe Stangen in Bild 3) in der Nähe des Objektes positioniert. Anschließend werden Bilder der Struktur, mit den aufgeklebten Marken, aus verschiedenen Blickrichtungen aufgenommen. Aus den verschiedenen Bildern werden durch das TRITOP System automatisch die Mittelpunkte der Markierungen bestimmt und daraus, durch optische Triangulation aus mehreren Ansichten, die absoluten 3D Positionen der Markenmittelpunkte berechnet. (Bild 4)

Vergleich der Messdaten mit den FEM Daten

Die Einzelteile und Panels wurden während der Produktion und vor dem Zusammenbau der Struktur sehr genau getestet und auf ihr thermisches Verhalten vermessen. Zudem wurden diese Einzelteile sehr detailliert für die FEM Berechnung modelliert, mit den zwei Deckschichten, der Wabenstruktur, den Einlagen und auch den Verbindungsbauteilen, gemäß Bild 6, links. Die Simulation der Formänderungen ist im rechten Bild sichtbar und zeigt eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Werten.
Die gemessenen thermischen Verformungen haben viel zum Verständnis des Verhaltens der zusammengebauten Satellitenstruktur beigetragen, sodass damit ein detailliertes FEM Model erstellt werden konnte, welches sehr gut mit dem aktuellen Verhalten der Struktur unter Temperaturänderungen übereinstimmt.

Die Entwicklung und der Bau einer formstabilen und leichten Satellitenstruktur mit dem Nachweis der Stabilität bei thermischer Belastung in einer Klimakammer wurden erfolgreich abgeschlossen.
Die zwei gewählten Messmethoden haben sich sehr gut ergänzt und ermöglichen eine genaue Modellbildung der Struktur mit guter Übereinstimmung zu den wirklichen Messwerten und belegen, dass die Struktur die geforderte hohe statische und thermische Stabilität aufweist.

Wir danken den Herren Gröbelbauer und Heer von Oerlikon Space für ihr Vertrauen in unser TRITOP Messsystem und für ihr interessantes und sehr ausführliches Paper: Development of a Dimensinally Stable Lightweight Structure for the LISA Pathfinder Science Module