Communication-Energy-Propulsion Integration Theory and Method Joint Research for enabling Multi Functional Large Space Structures

• Applicant: Professor Dr. Ulrich Walter
• Subject Area: Automation, Mechatronics, Control Systems, Intelligent Technical Systems, Robotics
• Term: from 2018 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 392073416

• Final Report Year: 2023

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projektes „Multifunktionale Größstrukturen in der Raumfahrt“ wurde untersucht, ob und wie Mikrowellenantennen in die Struktur von Sonnensegeln integriert werden können. Hierbei lag der Hauptfokus auf dem Segel selbst, da dies eine große Nutzfläche bietet. Eine Analyse der existierenden Hochfrequenzleiter hatte zum Ergebnis, dass Einzelwellenleiter hierfür hinreichend niedrige Dämpfungswerte aufweisen und zugleich zirkular polarisierte Antennen ermöglichen. Eine theoretische Abschätzung der Leistungsfähigkeit dieser Antennen lieferte einen maximalen Gain von etwa 31 dBi bei einer Aperturflächendichte von weniger als 0,2 kg m^−2 . Kleinere Antennen könnten noch wesentlich leichter gebaut werden und bieten eine sinnvolle Alternative für zukünftige Missionen mit extremen Ansprüchen an das Massenbudget. Die Fertigung dieser Antennen stellte eine Herausforderung dar. Die Beschaffung von geeignetem Material erwies sich aufgrund von Exportbeschränkungen als schwierig. Hinreichende Mengen für ein ganzes Segel waren nicht verfügbar. Für die Metallisierung wurden verschiedene Verfahren getestet. Hier erwies sich das Ionenpattieren als einziges geeignet, mit Aluminium die nötigen Schichtdicken zu erreichen. Jedoch ist die Entwicklung des Verfahrens noch nicht abgeschlossen und bedarf einiger Verbesserung. Zusätzlich zu den Antennensegeln wurde an Antennen geforscht, die in die Stützstrukturen der Sonnensegel integriert werden können. Diese können als röhrenförmige Carbonstrukturen metallisiert und als Hohlleiter verwendet werden. Durch gezieltes Anschlitzen der Hohlleiter werden diese zu Strahlern und können auch so zu Mittelgewinnantennen funktioniert werden. Auch hier wurden verschiedene Optionen zur Leitendmachung evaluiert. Ebenso wurden die elektrischen Eigenschaften der Struktur studiert. Ein Prototyp eines Hohlleiters, der die Struktur direkt nutzt, wurde mittels des VARI-Verfahrens gefertigt. Dieses Verfahren wurde zu diesem Zweck bislang nicht genutzt und stellt ein Novum dar. Die Dämpfungswerte des Wellenleiters sind gemessen an dem erwarteten Rauigkeitsprofil der galvanischen Kupferschicht sehr zufriedenstellend.

Publications

• „Integrated Antennas on Solar Sails“. In: Pico- und Nanosatelliten Workshop. Würzburg, Sep. 2021
  Appel, N.
  
• „Multi-Functional Radiating Structures for Solar Sailing Missions“. In: B2. IAF Space Communications and Navigation Symposium. Paris: IAF, 2022
  Appel, N., Werner, C., Hoppe, J. und Stegmann, L.
  
• „Structure- Integrated Antennas for Solar Sails“. In: 2022 IEEE Aerospace Conference (AERO). IEEE, März 2022, S. 1–9. ISBN: 978-1-6654-3760-8
  Appel, N.