Vibroakustische Metamaterialien reduzieren Strukturschwingungen in Trägerraketen-Komponenten
Zukünftige Trägerraketen-Konzepte sollen leichter, zuverlässiger und
wirtschaftlicher sein. Damit diese ehrgeizigen Anforderungen erreicht
werden, ist die Entwicklung neuer Materialien und multifunktionaler
Strukturen sowie innovativer Fertigungstechnologien unerlässlich. Im
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
wurde die Umsetzung der vibroakustischen Metamaterialien-Technologie für
eine zylindrische Leichtbaustruktur aus Verbundwerkstoff untersucht. Diese
stellt die Oberstufe einer konzeptionellen Ariane 6-Trägerrakete dar.
Schwingungsreduktionen von bis zu 30 Dezibel (dB) im Frequenzbereich
zwischen 150 Hertz (Hz) und 200 Hertz wurden erreicht.
Verbundwerkstoffe (beispielsweise Kohlefaserverbundwerkstoff, kurz CFK)
ermöglichen große Masseneinsparungen bei Trägerraketen und werden für die
Anwendung in verschiedenen Systemen und Komponenten in Betracht gezogen.
Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) will bis 2025 eine Oberstufe
komplett aus Kohlefaserverbundwerkstoff für die neue Generation der Ariane
6 entwickeln, mit dem Ziel, die Nutzlastkapazität um zwei Tonnen zu
erhöhen.
Hohes Potenzial: vibroakustische Metamaterialien
Obwohl Oberstufen aus Verbundwerkstoffen im Vergleich zu metallischen
Materialien ein höheres Steifigkeits-Masse-Verhältnis aufweisen, können
sie bei bestimmten Frequenzen zu höheren Schwingungsamplituden führen, die
insbesondere in der Startphase kritisch sind. Ein innovativer Ansatz zur
Reduzierung von Schwingungen sind vibroakustische Metamaterialien. Mit
Metamaterialien wird ein in der Natur nicht vorkommendes Verhalten
erzeugt. Neben optischen und elektromagnetischen Metamaterialien werden
spezielle Formen von Metamaterialien auch zur Lärm- und
Schwingungsminderung eingesetzt. Vibroakustische Metamaterialien werden
aus mehreren periodisch angeordneten Einheitszellen gebildet - dem
kleinsten identischen Teil der Grundstruktur, auf dem ein Resonator
(Feder-Masse System) sitzt. Die lokalen Resonatoren sind gezielt auf der
Subwellenlängenskala der einfallenden Welle platziert. Sie sind auf eine
Resonanzfrequenz abgestimmt, bei der eine Schwingungsreduktion
erforderlich ist. Die Wechselwirkung zwischen den lokalen Resonatoren und
der einfallenden Welle führt zu einem Stoppband - einem Frequenzbereich
mit hoher Schwingungsreduktion.
Das Potenzial von vibroakustischen Metamaterialien wurde sowohl für die
Luftfahrt als auch für die Raumfahrt erkannt, wo sie beispielsweise bei
der Nutzlastumhausung eingesetzt werden. Im Forschungsprojekt »Silent
Running« liegt der Fokus auf dem Design von vibroakustischen
Metamaterialien, die in der Oberstufe einer konzeptionellen Ariane
6-Trägerrakete eingesetzt werden sollen. »Am Fraunhofer LBF entwickeln
unsere Fachteams effiziente numerische Routinen zur Beschreibung des
dynamischen Verhaltens von vibroakustischen Metamaterialien. Diese
Routinen werden für das Design von branchenspezifischen Produkten
eingesetzt«, erläutert Projektleiter Heiko Atzrodt, verantwortlich für die
Abteilung Strukturdynamik und Schwingungstechnik im Fraunhofer LBF.
Konzeptionelle und numerische Ansätze für ein Design mit hohen
Dämpfungseigenschaften
Die Forschenden haben drei Konzepte von lokalen Resonatoren numerisch
betrachtet und experimentell validiert. Für eine detaillierte Untersuchung
des Verhaltens von vibroakustischen Metamaterialien in einem endlichen
Bauteil wurden Plattendemonstratoren aus CFK realisiert, die den
Schwerpunkt dieses Forschungsprojekts bilden. Die Resonatorkonzepte wurden
simuliert und ihre Wirkung numerisch bewertet. Dazu werden die Resonatoren
auf der CFK-Platte angebracht, um eine Metamaterialstruktur zu erzeugen.
Im ersten Schritt wird die Wellenausbreitung der unendlichen, periodischen
Struktur anhand des Dispersionsverhaltens (Zusammenhang zwischen der
Wellenlänge und -frequenz) einer einzelnen Einheitszelle untersucht. Damit
werden Stoppbänder im Frequenzbereich ermittelt, in denen keine freie
Wellenausbreitung möglich ist. Im nächsten Schritt wird eine endliche
Plattenstruktur modelliert, um Stoppbänder in Frequenzgangfunktionen bei
realen Randbedingungen auszuwerten. Für alle Konzepte traten Reduktionen
von Schwingungsamplituden von bis zu 30 dB im Frequenzbereich zwischen 150
Hz und 200 Hz in den numerischen Simulationen auf. Durch den gezielten
Einsatz geeigneter Materialien wird zusätzlich zum Stoppband ein
verbessertes Schwingungsverhalten oberhalb des Stoppbandes erreicht.
Experimentelle Validierung
Das Schwingungsreduktionsverhalten von vibroakustischen Metamaterialien
haben die Darmstädter Forschenden experimentell an planaren Proben
untersucht. »Wir haben unser Ziel erreicht, für die drei Konfigurationen
wird ein deutlich verbessertes Schwingungsverhalten nach der eingestellten
Eigenfrequenz des Resonators beobachtet«, bestätigt Heiko Atzrodt den
Projekterfolg.
Die experimentelle Umsetzung einer CFK-Probeplatte mit der Anwendung
vibroakustischer Metamaterialien-Technologie zeigt ab der
Resonatoreigenfrequenz von rund 150 Hz ein deutlich verbessertes
Schwingungsverhalten. Dank der Anwendung eines hochgedämpften Materials
für die Resonatoren wird das Schwingungsverhalten auch nach dem
Stoppbandbereich optimiert. Die Schwingungsreduktion beträgt im erwarteten
Stoppbandbereich bis 25 dB und im höheren Frequenzbereich (ab circa 250
Hz) bis 15 dB.
Mehr dazu auf der Messe »Space Tech Expo Europe«, Bremen, 16. bis 18.
November 2021, Fraunhofer-Stand N 40.
