Кейс: проектирование креплений на самолеты для антенн системы SAR
Для предварительных испытаний радиолокационные системы устанавливают на двух турбовинтовых самолетах Dornier Do 228. Антенны, необходимые для этого, будут разработаны, испытаны и интегрированы в авиационную систему института. Для успешной интеграции необходимы специальные опорные конструкции для крепления антенн на фюзеляже самолета. Чтобы их создать, требуются точные контурные данные (модели САПР) различных участков самолета для строительства этих опорных конструкций или опор.
В рамках нового проекта наблюдения Земли с двумя радиолокационными спутниками в диапазоне частот L-диапазона, сопоставимая система должна быть установлена на двух самолетах в качестве подготовительной меры. На основе данных о земной поверхности, полученных с двух платформ-носителей, можно разработать обширные новые продукты. В дополнение к классической трехмерной модели местности данные включают информацию о растительности, например, о лесном покрове или вырубке лесов, о параметрах ледников, таких как скорость потока и временные изменения объема, поднятие и оседание грунта из-за извержения вулканов, землетрясений или добычи полезных ископаемых.
Радиолокационное дистанционное зондирование в основном основано на принципе SAR (радара с синтезированной апертурой). Он имеет очень высокое пространственное разрешение по направлению движения, которое достигается перемещением радиолокационной системы. Этот принцип не зависит от расстояния и, таким образом, позволяет получать изображения поверхности Земли из космоса с высоким разрешением и очень высокой точностью.
В рамках миссии TanDEM-X DLR использует для этой цели немецкие радиолокационные спутники TerraSAR-X и TanDEM-X. Текущие исследования касаются возможных систем-преемников существующей группировки двух спутников X-диапазона. Однако на более низких частотах, таких как L-диапазон, расстояния между спутниками становятся намного больше, что создает дополнительные проблемы при обработке данных и работе алгоритмов и моделей, используемых для извлечения параметров из необработанных данных радара.
Новые системы на двух исследовательских самолетах Dornier DLR используются для предоставления этих радиолокационных данных задолго до любого потенциального запуска спутника. Это ключевые области деятельности Института высокочастотных технологий и радиолокационных систем DLR.
Создание 3D сканов и САПР моделей
Чтобы иметь возможность определить наилучшее место для установки антенн на самолете и внутри него, требуются высокоточные геометрические данные. В этом случае конструкции устанавливаются на направляющих сидений внутри самолета и выступают через вал в полу под фюзеляжем. Антенна установлена там в аэродинамическом обтекателе, но при этом может вращаться вокруг вертикальной оси в определенных пределах.
В этом проекте особый интерес представляли шахта и элементы вокруг нее - пол внутри кабины и область под фюзеляжем. Для реализации проекта потребовались точные модели САПР элементов двух самолетов, чтобы построить опорные конструкции или крепления.
Сначала были созданы 3D-сканы, из которых впоследствии можно было сделать модели САПР. Эти сканы служат основой для создания антенных опор для двух Do 228 (исследовательских самолетов, принадлежащих DLR), чтобы иметь возможность выполнять регистрацию SAR в нижнем частотном диапазоне (L-диапазон) во время группового полета. Для этого под фюзеляжем самолета устанавливаются антенны, которые излучают и принимают радиоволны под углом к земле.
Оборудование для решения задачи
DLR обратилась в метрологическую и инженерную службу Creaform для выполнения сканирования поверхности и объемного сканирования.
Исходя из требований точности, желаемого уровня детализации и доступности областей, Creaform выбрала свои системы сканирования, которые идеально подошли для этого проекта. В проекте использовались сканеры MetraSCAN 3D и HandySCAN 3D, а также система фотограмметрии MaxSHOT 3D. Оба самолета были просканированы в отделе исследовательских полетов DLR на площадках Оберпфаффенхофен и Брауншвейг.
Полные 3D изображения модели самолета (внутренние и внешние) были записаны с помощью MaxSHOT 3D. Эта система фотограмметрии позволила повысить точность общих измерений и совместить внешние размеры с внутренними. 3D-сканер MetraSCAN использовался для захвата соответствующих внешних областей самолета, таких как фюзеляж, в то время как 3D-сканер HandySCAN работал с деталями и труднодоступными участками внутри самолета.
Последующая обработка полученных данных была выполнена с помощью программного обеспечения VXmodel: сначала сканированное изображение было очищено и выровнено. Далее 3D модели были подготовлены для обратного проектирования в CATIA.
Для каждого самолета измерения заняли около 4-5 часов (включая настройку и демонтаж), постобработка - около 2-3 часов, а обратное проектирование - почти две недели.
Первый эскиз конструкции одной из двух опор для антенны, интегрированный в существующий 3D-скан кабины самолета, показан на изображении ниже. В данных указаны отдельные положения заклепок, направляющих сиденья и даже соединения листового металла на фюзеляже самолета.
Итоги и окупаемость
Дипломированный инженер Маркус Лимбах из Института высокочастотных технологий и радиолокационных систем DLR очень доволен: “Оборудование, которое мы использовали, в сочетании с обширными возможностями обработки данных и опытом Creaform, оказалось оптимальным для нашей задачи. Другой, менее положительный опыт показал, что не все провайдеры могут предложить одинаковые стандарты качества.”
“Что касается рентабельности инвестиций, которую мы получили с помощью команды метрологов Creaform, мы ожидаем сэкономить около 6-8 недель с точки зрения рабочего времени. Это невероятно приятно.”
О Немецком аэрокосмическом центре (DLR) - Институте высокочастотных технологий и радиолокационных систем
Немецкий аэрокосмический центр (DLR) - исследовательский центр Федеративной Республики Германии в области авиации и космонавтики. Он проводит исследования и разработки в области аэронавтики, космоса, энергетики и транспорта, а также в области безопасности и оцифровки. DLR со штаб-квартирой в Кельне представлена в общей сложности в 30 офисах в Германии. Он использует свой опыт для разработки решений глобальных проблем и технологий будущего. Таким образом, DLR способствует укреплению Германии как центра знаний и бизнеса.
На территории Оберпфаффенхофена Институт высокочастотных технологий и радиолокационных систем разрабатывает инновационные датчики, алгоритмы и приложения для наземного, воздушного и спутникового радиолокационного дистанционного зондирования. Для немецкого радиолокационного спутника TanDEM-X и будущих миссий он готовит системные характеристики с экспериментами с самолетами. С этой целью Институт высокочастотных технологий и радиолокационных систем DLR также разработал и очень успешно эксплуатирует бортовые радиолокационные системы F-SAR и DBF-SAR. Обладая более чем 30-летним опытом, он является одним из ведущих мировых институтов в области сенсорных технологий и, в частности, в области обработки данных и алгоритмов.
