CFD-gestützte aktive Flüssigkeitsstabilisierung in Mikrogravitation zur präzisen Satellitenlageregelung
ESA MetOp Satellit der zweiten Generation
Die präzise Lageregelung von Satelliten ist von entscheidender Bedeutung für den Erfolg moderner Weltraummissionen. Gleichzeitig erfordern kosteneffiziente und nachhaltige Satellitenkonstruktionen große Treibstofftanks, in denen das Schwappen (engl. Sloshing) des flüssigen Treibstoffs den Schwerpunkt und die Trägheitsmomente des Satelliten beeinflusst. Herkömmliche Algorithmen zur Lageregelung berücksichtigen die Schwappdynamik nicht, was zu einer verminderten Genauigkeit und einem erhöhten Treibstoffverbrauch führt.
Innerhalb des Gemeinschaftsprojekts COSMIC der Professur für Flugmechanik und Flugregelung und der Professur für Strömungsmechanik an der TU Dresden sollen aktive Regelungsalgorithmen entwickelt werden, die auf phasenaufgelösten direkten numerischen Simulationen der Schwappprozesse basieren.
In der Mikrogravitation ist die Oberflächenspannung auch für größere Längenskalen von Bedeutung
Das Schwappverhalten von Flüssigkeiten in der Mikrogravitation weicht stark von typischen Schwappprozessen auf der Erde (Schiffe, LKW, Züge) ab. Die dimensionslose Eötvös-Zahl, die das Verhältnis von Volumenkräften zu der Oberflächenspannung innerhalb einer Flüssigkeit beschreibt, nimmt in der Schwerelosigkeit sehr kleine Werte an. Daher muss der Einfluss der Oberflächenspannung selbst bei großen Tankgeometrien berücksichtigt werden.
Massiv parallelisierte direkte numerische Simulationen, die am Lehrstuhl für Strömungsmechanik durchgeführt werden, können die Schwappdynamik unter Berücksichtigung der Oberflächenspannung mithilfe von Hochleistungsrechenclustern (ZIH TU Dresden) abbilden. Im Gegensatz zu kostspieligen Experimenten in Mikrogravitationsumgebungen wie der ISS können solche Simulationen genutzt werden, um eine Vielzahl von Manövern und realistischen Tankgeometrien zu untersuchen. Die daraus gewonnenen Daten werden zur Erstellung von Modellen reduzierter Ordnung verwendet, die anschließend vom aktiven Regelalgorithmus genutzt werden.
