DEM-O – netzfreie Diskrete-Elemente-Methoden zur Beschreibung von Fragmentierungsereignissen im Orbit

© Fraunhofer EMI
Simulation der Standardgeometrie mit 7,7 Millionen Teilchen. Impakt mit einer Geschwindigkeit von fünf Kilometern pro Sekunde. Animation auch auf https://www.chemie.unibas.ch/~steinhauser/

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Links: Foto eines CubeSats mit typischer lamellarer Struktur im Innern, die durch Leiterplatinen gegeben ist. Rechts: ein einfaches experimentelles Modell einer solchen Struktur, die es gestattet, reproduzierbar Materialtests unter Impaktbelastung durchzuführen.

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Bilder aus einer Simulation mit Modellparametern, die für eine einzelne Platte optimale Übereinstimmung mit dem Experiment ergaben.

Gefahr Weltraummüll

Weltraummüll ist im erdnahen Orbit ein ständig wachsendes Risiko. Der Zusammenprall von Objekten mit aktiven Satelliten kann dazu führen, dass diese ausfallen oder stark beschädigt werden.

Um beurteilen zu können, wie groß die Risiken solcher Kollisionen in der Zukunft sind, ist es wichtig, diese Kollisionen genau zu analysieren und zu verstehen. Dazu werden im Projekt DEM-O viele Simulationsdaten auf der Basis von physikalischen Modellen erzeugt, die es erlauben, die Trümmerwolke sehr genau zu charakterisieren, die bei einer solchen Kollision entsteht.

Ein tieferes Verständnis der Materialvorgänge bei dem Bruchverhalten und der nachfolgenden Fragmentierung von Raumfahrzeugkomponenten aufgrund der Kollision mit Bruchstücken von Weltraummüll kann erheblich zu Verbesserungsstrategien für den Schutz von Satelliten beitragen. Bislang existieren für die Vorhersage dieser Vorgänge nur sehr wenige, empirisch-numerische Modelle, die in ihrer Prognosefähigkeit sehr eingeschränkt sind.

Verbesserungsstrategien für den Schutz von Satelliten

Das Forschungsvorhaben zielt darauf ab, neue numerische Verfahren für die Simulation von Impaktvorgängen, Materialversagen und Fragmentierung zu entwickeln und in einem Computerprogramm zu implementierten. Das zentrale Ziel ist, numerische Modellrechnungen durchführen zu können, die repräsentativ für Kollisionsereignisse von Festkörpern mit Trümmerstücken von Weltraummüll sind. Dazu werden generische Modelle von Festkörpern entwickelt und implementiert, um deren Fragmentierung bei Impaktreignissen mit hoher Geschwindigkeit zu modellieren. Ein neu zu schreibendes Software-Tool »MDCUBE.IMPACT« soll auf diesen generischen Festkörpermodellen basierende numerische Simulationen des Materialversagens, der Fragmentierung und der Bildung von Bruchstücken bei Impaktereignissen innerhalb gewisser Fehlergrenzen ermöglichen.

Ziel ist es dabei, die Physik von Impakt- und Stoßwellenvorgängen (Energie- und Impulserhaltung) korrekt in der Software abzubilden, um Kollisionen auch bei sehr hohen Relativgeschwindigkeiten der beteiligten Objekte (Hypervelocity-Bereich) numerisch stabil zu berechnen.

Ergebnis des Forschungsvorhabens ist unter anderem die Optimierung und Parallelisierung der entwickelten Software, mit der die Simulation von Systemen mit bislang 100 Millionen Partikeln durchgeführt werden kann.

Die Simulationsergebnisse mit sehr großen Systemen zeigen die ausgeprägte Größenverteilung der Bruchstücke nach dem Impakt.

Außerdem sind neue Auswertungen von Impaktszenarien im Hypervelocity-Bereich möglich, beispielsweise realistische Simulationen an einem CubeSat-Modell und die Modellierung des Impakts mehrerer Satelliten.