Das Thema Raumfahrt nimmt bei Merkle CAE Solutions eine immer größere Rolle ein.

Durch die strategische Zusammenarbeit mit einem der drei größten Raumfahrtkonzerne in Deutschland, der OHB System AG, kommen immer mehr Themen, die wir in einem in dieser Branche bisher nicht üblichen Detaillierungsgrad beschreiben und simulieren können.

Created by Dipl.-Ing. (TU) Stefan Merkle

22.08.2023

Simulation und Multiphysics Engineering für die Raumfahrt

Merkle CAE Multiphysics in der Raumfahrt

Die Entwicklung moderner Raumfahrtsysteme stellt höchste Anforderungen an Konstruktion, Materialauswahl und Systemverständnis. Satelliten, Instrumente und Raumfahrtsysteme müssen extremen Umweltbedingungen standhalten – von starken Vibrationsbelastungen beim Raketenstart bis zu thermischen Zyklen im Orbit.

Virtuelle Entwicklung und numerische Simulation sind daher ein zentraler Bestandteil moderner Raumfahrtprojekte. Sie ermöglichen es, komplexe physikalische Wechselwirkungen frühzeitig zu verstehen, Risiken zu reduzieren und Entwicklungszyklen effizient zu gestalten.

Merkle CAE unterstützt Unternehmen und Forschungseinrichtungen bei der Simulation komplexer Raumfahrtsysteme – von einzelnen Komponenten bis zu integrierten Systemanalysen.

Merkle CAE Raumfahrt Partikelansammlung Simulation — Partikelansammlung im Bereich eines Wissenschaftssatelliten

Simulation als Schlüsseltechnologie in der Raumfahrt

Raumfahrtsysteme müssen unter Bedingungen funktionieren, die auf der Erde nur eingeschränkt reproduzierbar sind. Gleichzeitig sind Reparaturen im Orbit meist nicht möglich. Eine zuverlässige Auslegung der Systeme ist daher entscheidend.

Typische Herausforderungen sind:

Extreme Umweltbedingungen

· starke Temperaturgradienten

· thermische Zyklen im Orbit

· Vakuum und Ausgasung

Merkle CAE Raumfahrt Ausgasung 1 — Ausgasung laminare Strömung

Merkle CAE Raumfahrt Ausgasung 2 — Ausgasung turbulente Strömung

Mechanische Belastungen

· Vibrations- und Schockbelastungen beim Raketenstart

· Struktur- und Eigenfrequenzprobleme

· Leichtbau bei gleichzeitig hoher Steifigkeit

Merkle CAE Raumfahrt Chime — Komplexität einer Baugruppe Projekt CHIME.

Multiphysikalische Wechselwirkungen

· thermische Einflüsse auf optische Systeme

· Struktur-Thermik-Kopplungen

· elektromagnetische Effekte auf elektronische Systeme

Merkle CAE Raumfahrt Projekt CHIME — Strömungsverhältnisse der Geschwindigkeit in Wandnähe bei CHIME.

Raumfahrt als wachsendes Anwendungsfeld bei Merkle CAE

Merkle CAE Ariane 5 Raketenspitze — Ariane 5 Raketenspitze

Lange Jahre war der Automobilbereich bei Merkle CAE ein wichtiger Technologietreiber für komplexe Simulationen. Die dort entwickelten Methoden zur Analyse komplexer physikalischer Zusammenhänge bilden heute eine wichtige Grundlage für Anwendungen in Hightech-Branchen wie der Raumfahrt.

In den letzten Jahren hat sich Merkle CAE zunehmend im Bereich Raumfahrt etabliert. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Zusammenarbeit mit der OHB System AG, einem der größten Raumfahrtunternehmen Deutschlands.

Darüber hinaus arbeitet Merkle CAE zunehmend auch im Umfeld von Projekten der European Space Agency (ESA), unter anderem im Rahmen von ESA Spark Funding Programmen.

Diese Projekte ermöglichen es, neue Simulationsmethoden und innovative Anwendungen für Raumfahrtsysteme zu entwickeln und zu validieren.

Partikelbelegung zu Beginn in Ritzen und auf dem Kommunikationssatelliten

Lösung der Partikel durch den Kühlluftstrom

Partikelansammlung im Bereich des Wissenschaftssatelliten

Strömungsgeschwindigkeiten CFD Horizontalreinraum

Integrationshalle Detailansicht mit FFU und Satellit

Unsere Simulationskompetenzen für Raumfahrtprojekte

Merkle CAE verfügt über langjährige Erfahrung in der numerischen Simulation komplexer technischer Systeme.

Typische Einsatzfelder in der Raumfahrt sind:

Struktur- und Festigkeitssimulation

· Startlasten

· Vibrations- und Modalanalyse

· Leichtbauoptimierung

· Strukturstabilität

Thermische Simulation

Temperaturmanagement ist eine zentrale Herausforderung in Raumfahrtsystemen.
Simulation wird eingesetzt für:

· Temperaturmanagement im Orbit

· thermische Auslegung von Satellitenkomponenten

· thermisch induzierte Verformungen

Optomechanische Simulation

Besonders bei optischen Systemen wirken sich selbst kleinste Strukturverformungen oder Temperaturänderungen auf die Performance aus.

Mehr dazu:
Optomechanische Systeme simulieren

https://www.merkle-cae.de/optomechanische-systeme

Multiphysics-Systemanalyse

Raumfahrtsysteme bestehen aus vielen eng gekoppelten physikalischen Effekten.
Typische Analysen sind:

· thermo-mechanische Kopplungen

· Struktur-Optik-Interaktionen

· Systemverhalten komplexer Baugruppen

Beispiel aus der Raumfahrt: Simulation von Purging und Kontaminationskontrolle

Empfindliche Komponenten von Satelliten müssen während Integration, Transport und Lagerung vor Kontamination geschützt werden. Selbst kleinste Partikel können optische Systeme, Sensoren oder empfindliche Oberflächen beeinträchtigen.

Eine häufig eingesetzte Methode ist das sogenannte Purging: Dabei werden Komponenten mit hochreinen Gasen wie Luft oder Stickstoff umspült, um das Eindringen von Partikeln zu verhindern.

Mithilfe von Strömungssimulationen (CFD) lassen sich dabei wichtige Fragestellungen analysieren:

Strömungsverteilung innerhalb von Schutzvolumen
mögliche Totzonen („Dead Zones“)
Transport und Ablagerung von Partikeln
Optimierung der Gasführung

Simulation ermöglicht es, Purging-Konzepte bereits in der Entwicklungsphase zu optimieren und das Risiko von Kontamination zu reduzieren.

Merkle CAE Raumfahrt Strömungsanalyse CHIME — Strömungsanalyse beim Purging Projekt CHIME

Insights und Projekte aus der Raumfahrt

Mondmissionen – Herausforderung Mondstaub

Merkle CAE Raumfahrt Reinluft Mondstaub — Stromlinien in Kammer mit Reinluft

Feiner Mondstaub ist weit mehr als nur ein Nebeneffekt von Mondlandungen. Durch seine scharfkantige Struktur und elektrostatische Aufladung kann er mechanische Systeme beeinträchtigen, Dichtungen beschädigen und optische Komponenten verschmutzen.

Für zukünftige Langzeitmissionen wird der Umgang mit Mondstaub zu einem entscheidenden Faktor für Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Systemen. Welche physikalischen Effekte dabei eine Rolle spielen und wie Simulation helfen kann, diese Risiken frühzeitig zu verstehen, zeigt dieser Beitrag.

➡ Hintergrundartikel

Von klassischer „Rocket Science“ zur modernen Simulation

Rakte Ariana Testlauf — Prüfstand für Ariane-6-Oberstufe am DLR-Standort Lampoldshausen

Die Entwicklung von Raumfahrtsystemen hat sich in den letzten Jahrzehnten grundlegend verändert. Während früher umfangreiche physische Tests notwendig waren, ermöglicht Simulation heute ein tiefes Verständnis komplexer Systeme bereits in frühen Entwicklungsphasen.

Gerade in der Raumfahrt, wo Fehler kaum korrigierbar sind, ist diese Entwicklung entscheidend. Der Beitrag zeigt, wie moderne Simulation klassische „Rocket Science“ erweitert und Entwicklungsprozesse effizienter und sicherer macht.

➡ Beitrag

Nachwuchs und Innovation in der Raumfahrt

Die Zukunft der Raumfahrt entsteht nicht nur in großen Forschungszentren, sondern auch durch Nachwuchs, interdisziplinäre Zusammenarbeit und neue Ideen. Veranstaltungen wie die MAKE 2024 zeigen eindrucksvoll, wie Technologien greifbar werden und Begeisterung für komplexe technische Themen entsteht.

Der Beitrag gibt Einblicke in aktuelle Entwicklungen, innovative Projekte und die Bedeutung von Nachwuchsförderung für die Raumfahrtbranche.

➡ Bericht zur MAKE 2024