Investigations of Fluid-Dynamic Actuators for Attitude Control of Pico- and Nano Satellites

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Klaus Brieß
• Subject Area: Microsystems ; Fluid Mechanics
• Term: from 2010 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 184525799

• Final Report Year: 2016

Final Report Abstract

Das primäre Ziel des Forschungsvorhabens lag in der Untersuchung eines hocheffizienten und verschleißfreien Aktuatorensystems für die Lageregelung von Klein- und Kleinstsatelliten. Im Rahmen des Forschungsvorhabens konnten wichtige Erkenntnisse zu den einzelnen Komponenten und deren Zusammenwirken gewonnen werden. So wurden grundlegende rheologische Eigenschaften des Drallspeichermediums analysiert und elementare Erkenntnisse zu dem geometrischen Aufbau der Strömungskanäle sowie zu der Ausgestaltung der elektromagnetischen Pumpen und derer Versorgungselektronik erworben. Diese Kenntnisse führten gemeinsam mit der Implementierung eines neuartigen Regelkonzeptes zur Realisierung einer Reihe von Prototypen von Flüssigmetallaktuatoren. Mit diesen Labormustern konnten neben der allgemeinen Funktionalität der neuartigen Aktuatoren, erstmals auch die vorteilhaften Eigenschaften des vergleichsweise großen Drehmomentes und der geringen Leistungsaufnahme praktisch nachgewiesen werden. Mit den bereits geleisteten Vorstudien und der erfolgreichen Umsetzung der Flüssigmetallaktuatorenserie FDA-A2 bis A6, wurden im Rahmen des DFG Projektes wichtige Schritte in der Erforschung der Technologie vollzogen. Aufbauend auf den gewonnenen Erfahrungen konnte ein Flugmodell für die Nanosatellitenklasse entwickelt werden. Dieses Modell wurde als Nutzlastexperiment für die DLR-geförderte Techno-Sat-Mission aufgenommen. TechnoSat ist ein Technologieerprobungssatellit und wird voraussichtlich in der ersten Jahreshälfte 2017 vom Startplatz Baikonur in einen sonnensynchronen niederen Erdorbit befördert. Mit der erfolgreichen Inbetriebnahme kann dann erstmalig ein Flüssigmetallaktuator für die Lageregelung eines Satelliten erprobt werden.

Publications

• An Angular Momentum Ring Storage Device for Small Satellites Based on a Liquid Metall Actuator. The 65th International Astronautical Congress, Toronto, Canada, 29 September - 3 October 2014
  D. Noack, J. Ludwig, K. Brieß
  
• Satellit zum Sparpreis; Technology Review. Das Magazin für Innovation,12/2013, pp. 30-34
  K. Verseck
  
• TechnoSat – A Nanosatellite Mission for On-Orbit Technology Demonstration; 27th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, Logan, Utah, USA, 10-15 August 2013
  M.F. Barschke, W. Ballheimer, L. Dornburg, D. Noack, K. Brieß, H. Adirim, N.A. Pilz, H. Kayal, O. Balagurin, H. Wojtkowiak, C. Nitzschke
  
• Untersuchungen zu einem fluiddynamischen Aktuator für den Einsatz auf dem Nanosatelliten TechnoSat; 62. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, Stuttgart, 10.- 12. September 2013
  D. Noack, J. Ludwig, K. Brieß
  
• Fluid-Dynamic Attitude Control Experiment for TechnoSat; The ESA/CNES Small Satellite Systems and Services Symposium, Porto Pedro, Majorca Island, Spain; 26-30 May 2014
  D. Noack, J. Ludwig, K. Brieß
  
• Laboratory Investigation of a Fluid-Dynamic Actuator designed for Cubesats; Acta Astronautica, Vol 96, March–April 2014, Pages 78-82
  D. Noack, K. Brieß
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2013.11.030)
• Fluiddynamische Aktuatoren – Ein alternatives Lageregelungssystem für Kleinsatelliten; 64. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, Rostock, 22.-24. September 2015
  D. Noack, J. Ludwig, K. Brieß
  
• Fluid-Dynamic Actuators – An Alternative Attitude Control System for Small Satellites; The ESA/CNES Small Satellite Systems and Services Symposium, Valletta, Malta, 30 May - 3 June 2016
  D. Noack, J. Ludwig, K. Brieß