WO2003073122A1

WO2003073122A1 - Verfahren zur erfassung von durch den aufprall von fremdkörpern verursachten beschädigungen an raumfahrzeugen

Info

Publication number: WO2003073122A1
Application number: PCT/DE2003/000462
Authority: WO
Inventors: Wolfgang Wulfken
Original assignee: Astrium Gmbh
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2003-02-15
Publication date: 2003-09-04
Also published as: JP2005519268A; AU2003206662A1; EP1478940A1; DE10208724C1; RU2004108125A; US20050063252A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Erfassung von durch den Aufprall von Fremdkörpern verursachten Beschädigungen an Raumfahrzeugen werden die durch einen Aufprall hervorgerufenen Ultraschallschwingungen elektronisch registriert und einer Auswerteeinheit zur mathematischen Lokalisierung des Ortes der Beschädigung zugeführt, wobei der Registrier- und Auswertevorgang automatisch ausgelöst wird und bekannte, durch fremde Systeme verursachte Ultraschallschwingungen ausgeblendet werden. Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht aus wenigstens drei räumlich auf der Oberfläche des zu überwachenden Körpers angeordneten Ultraschallsensoren sowie einer diesen zugeordneten elektronischen Erfassungs- und Auswerteeinheit.

Description

Verfahren zur Erfassung von durch den Aufprall von

Fremdkörpern verursachten Beschädigungen an

Raumfahrzeugen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von durch den Aufprall von Fremdkörpern verursachten Beschädigungen an Raumfahrzeugen mittels Schallmessung. Ferner betrifft sie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

An Bord von Raumfahrzeugen führen Einschläge von Meteoriten und Trümmerteilen in der Regel zu Beschädigungen der Struktur, insbesondere können sie zu Löchern in der Außenhülle, führen die eine erhebliche Gefahr für die Besatzung des betroffenen Fahrzeuges darstellen, da der Innendruck abfällt und damit der Atemsauerstoff verlorengeht. Die bisher an Bord von Raumfahrzeugen verwendeten Systeme und Verfahren zur Detektion derartiger Schäden, die auf einer Messung des hörbaren Schalls beruhen, sind jedoch nicht in der Lage, den genauen Ort des Einschlages eines solchen Fremdkörpers zu orten und anzuzeigen. Nach der JP 0 429 7400 A ist ein Schwingungsmeßverfahren zur Erfassung von Beschädigungen/Einschlägen von Fremdkörpern bei Raumfahrzeugen bekannt geworden, wobei die Schwingungen elektronisch registriert und über eine Auswerteeinheit mathematisch der Aufprall bestimmt wird. Es sind aber keine Hinweise bekannt, um welche Schwingungen es sich handelt und wie ein Meßverfahren durchführbar ist .

Es ist zwar allgemein gemäß der DE 30 33 990 C2 aufgezeigt worden, ein verfahren zur Ortung und Analyse vor (Ultra-) Schallemissionen, erzeugt beispielsweise durch Rißentstehung im Mikrobereich, für die Früherkennung von Schadenstellen in Einrichtungen und Bauteilen. Es wird dabei nicht mit einer aktiven Anregung gearbeitet, sondern es werden rein passiv die auftretenden Ultraschallsignale detektiert und verarbeitet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß es die genaue Ermittlung des Einschlagortes von Meteoriten und Trümmerteilen und somit eine sofortige Gefahrenerkennung ermöglicht . Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.

Die Erfindung löst die erste Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem die durch einen Aufprall hervorgerufenen Ultraschallschwingungen elektronisch registriert und einer Auswerteeinheit zur mathematischen Lokalisierung des Ortes der Beschädigung zugeführt werden. Die weitere Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 4 gelöst . Die Erfindung nutzt dabei den physikalischen Effekt, daß bereits kleinste Öffnungen in der Außenhaut eines Raumfahrzeuges aufgrund des durch diese ausströmenden Gases Ultraschallschwingungen erzeugen, die zur Detektion und Lokalisierung des Schadensortes geeignet sind. Dadurch, daß das Verfahren gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weiterbildung erst durch den Aufschlag eines Fremdkörpers aktiviert wird, kann es während des überwiegenden Teils einer Raumflugmission im Ruhe- bzw. Wartezustand verharren und benötigt damit nur sehr wenig elektrische Energie. Außerdem ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, daß auch Beschädigungen bzw. Aufschläge, die nicht zu Löchern in der Außenhaut des Raumfahrzeugs führen, die jedoch potentielle Gefahrenquellen darstellen, ebenfalls erfaßt werden.

Zwar ist es aus dem Bereich der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung für sich genommen bereits bekannt, Materialuntersuchungen mittels Ultraschallschwingungen der Art durchzuführen, daß Ultraschallschwingungen bestimmter Frequenzen in das zu prüfende Material bzw. Werkstück eingeleitet werden und daß Texturveränderungen im • Material, die durch Beschädigungen hervorgerufen wurden und die zu Reflexionen, Modewandlung, Beugung und Abschwächung der Ultraschallwellen führen, zur Identifikation der Fehler genutzt werden. Diese Technik beruht jedoch auf einer aktiven Anregung der zu prüfenden Werkstücke und ist für eine Anwendung in der Raumfahrttechnik nicht geeignet.

Unter Ausnutzung des physikalischen Effektes, sich mit einer Laufzeitdifferenz von etwa 50% im festen Medium fortschreitend ausbreitenden Transversal- und Longitudinalwellen, die am Ort der Beschädigung auftreten, ist es möglich, mit Hilfe der

Triangulationsmethode eine Ortung der Einschlagsorte durchzuführen.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung zur Detektion von Beschädigungen mittels Ultraschallsensoren,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Auswerteeinheit für eine Anordnung gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 ein Modul einer Raumstation mit einer Anordnung gemäß den Figuren 1 und 2.

Die Darstellung in Fig. 1 zeigt ein Meßsystem, das über eine trianguläre Laufzeit- und Phasenmessung von Ultraschallwellen unter Zuhilfenahme mathematischer Korrelationsprozesse eine Ortung von ultraschallquellen durchführt und somit eine Lokalisierung eines Aufprall- bzw. Schadensortes ermöglicht. Die Erfassung der Schwingung im Anfangszustand geschieht mit Hilfe mindestens dreier unabhängig voneinander aufzeichnender, synchron arbeitender

Ultraschallsensoren l, 2 und 3, die bei der in der Zeichnung gemäß Fig. 1 dargestellten Anordnung in einem gleichwinklig-gleichschenkligen Dreieck auf einer zu überwachenden Fläche 4 angebracht sind. Anzumerken ist dabei, daß diese Anordnung in einem gleichwinkliggleichschenkligen Dreieck zwar bevorzugt, aber für die Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens nicht zwingend erforderlich ist. Jeder der Sensoren 1 bis 3 ist mit einer zugeordneten Meß- und Speicherelektronik verbunden, die die Meßdaten einem Prozeßrechner zur Auswertung übermittelt, wie dies in Fig. 2 im Detail dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt, daß jeder Ultraschallsensor 1 bis 3 mit einem zugeordneten nachgeschalteten Verstärker 5 bis 7 verbunden ist, wobei diese Verstärker 5 bis 7 wiederum über Filter 8 bis 10 auf Sample-and-Hold-Stufen 11 bis 13 wirken. Letzteren ist jeweils ein A/D-Wandler 14 bis 16 nachgeschaltet, die ihrerseits mit einer Speichereinheit 17 verbunden sind. Die den einzelnen Sensoren l bis 3 zugeordneten Bereiche dieser Speichereinheit 17 sind über einen Multiplexer 18 und einen Datenbus 19 mit dem Prozeßrechner 20 verbunden. Dieser wiederum beaufschlagt über einen Kontrollbus 21 mit entsprechenden Adreßleitungen die einzelnen vorangehend aufgeführten Komponenten.

Transiente Ultraschallwellen treten unmittelbar nach einem Aufschlag von Meteoriten und Trümmerteilen auf und werden bei der vorangehend beschriebenen Anordnung dazu genutzt, um einerseits das Detektionssystem zu aktivieren und andererseits die Wellenlaufzeit zu messen. Der einer Einschlagstelle nächstgelegene Ultraschallsensor, im Fall des in Fig. 1 gezeigten Beispiels der Sensor 1, erfaßt dabei als erster Meßaufnehmer die auftreffende Ultraschallwelle und triggert das Meßsystem. Die übrigen Sensoren 2 und 3 nehmen das Ultraschallsignal nach entsprechender Verzögerungszeit, entsprechend ihrem Abstand zur Einschlagstelle, auf. Die sich ergebenden Phasen- und Amplitudenunterschiede werden in der Auswerteeinheit zur Ermittlung der Einschlagposition genutzt. Die Auswertung von Ultraschallschwingungen im stationären Zustand erfolgt unter Ausnutzung des Dämpfungseffektes der Ultraschallwellen, der durch die Materialeigenschaften hervorgerufen und mittels eines von der vorangehend beschriebenen Sensor- und Meßanordnung durchzuführenden Phasenvergleiches detektiert werden kann. Der Prozeßrechner ist dabei so programmiert, daß bekannte, durch fremde Systeme verursachte Ultraschallschwingungen ausgeblendet werden .

Fig. 3 zeigt abschließend eine der vorangehend beschriebenen entsprechende Anordnung, bei der Sensoren 31 bis 36 auf der Oberfläche einer Raumstation 37 verteilt angeordnet sind, um die angestrebte Überwachungsfunktion auszuüben.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erfassung von durch den Aufprall von Fremdkörpern verursachten Beschädigungen an Raumfahrzeugen mittels Schallmessung, dadurch gekennzeichnet, daß die durch einen Aufprall hervorgerufenen Ultraschallschwingungen elektronisch registriert und einer Auswerteeinheit zur mathematischen Lokalisierung des Ortes der Beschädigung zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine automatische Auslösung des Registrier- und Auswertevorgangs erfolgt .

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß bekannte, durch fremde Systeme verursachte Ultraschallschwingungen ausgeblendet werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bestehend aus wenigstens drei räumlich auf der Oberfläche (4, 37) des zu überwachenden Körpers angeordneten Ultraschallsensoren (1-3, 31-36) sowie einer diesen zugeordneten Erfassungs- und Auswerteeinheit (5-21).