3D-Scans und CAD-Modelle zur Konstruktion von Antennenhalterungen an Flugzeugen für SAR-Systeme

Picture Source: DLR

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt setzt auf Creaform-Messdienstleistungen

Das Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) untersucht Radarsysteme und ihre Parameter für zukünftige Satellitenmissionen. Dazu werden vorab Tests mit Flugzeug-getragenen Systemen durchgeführt, die eine hohe Flexibilität aufweisen. Zur Voruntersuchung werden die Radarsysteme auf zwei Dornier Do 228 Turboprop Flugzeugen installiert. Die hierzu benötigten Antennen werden im Institut entwickelt, getestet und in das Flugzeugsystem integriert. Zur Integration werden spezielle Trägerstrukturen benötigt, um die Antennen am Flugzeugrumpf montieren zu können. Benötigt werden hierfür die genaue Kontourdaten (CAD Modelle) von Bereichen diverser Flugzeuge zur Konstruktion dieser Trägerstrukturen bzw. Halterungen.

Im Rahmen eines neuen Projektes zur Erdbeobachtung mit zwei Radarsatelliten im L-Band Frequenzbereich soll, vorbereitend, ein vergleichbares System auf zwei Flugzeugen installiert werden. Durch die Beobachtung der Erdoberfläche mit zwei, gleichzeitig empfangenden Trägerplattformen, lassen sich umfangreiche neue Produkte entwickeln. Unter Produkten versteht man die Auswertung der aufgezeichneten Radardaten hin zu spezifischen Parametern, Modellen, Karten usw.  Hierzu zählen, neben dem klassischen 3D Geländemodell auch Informationen zur Vegetation, wie Baumbestand oder Abholzung, Gletscherzustände wie Fließgeschwindigkeiten und temporäre Veränderungen des Volumens, Hebungen und Senkungen des Bodens durch Vulkanismus, Erdbeben oder Bergbau, um nur einige Anwendungsfälle aufzuzeigen.

Die Radarfernerkundung basiert hauptsächlich auf dem SAR Prinzip (Synthetic Aperture Radar). Hierbei wird durch die Bewegung des Radarsystems eine sehr hohe räumliche Auflösung in Bewegungsrichtung erzielt. Das Prinzip ist entfernungsunabhängig und erlaubt damit hochaufgelöste Abbildungen der Erdoberfläche aus dem Weltraum mit sehr hoher Genauigkeit. Im Rahmen der Mission TanDEM-X betreibt das DLR dazu die deutschen Radarsatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X. Die aktuellen Untersuchungen befassen sich mit möglichen Nachfolgesystemen zur bestehenden Konstellation der beiden X-Band-Satelliten. Bei niedrigeren Frequenzen wie im L-Band werden die Abstände zwischen den Satelliten jedoch deutlich größer und eröffnen zusätzliche Herausforderungen in der Datenverarbeitung und den Algorithmen und Modellen zur Extraktion von Parametern aus den Radarrohdaten. Zur Bereitstellung dieser Radardaten, lange Zeit vor einem potentiellen Start von Satelliten, dienen die neuen Systeme auf den beiden Dornier Forschungsflugzeugen des DLR. Dies sind die Kernbereiche des DLR-Institutes für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme.

Aufgabe: Erstellung von 3D-Scans und CAD Modelle diverser Flugzeugbereiche

Um den zur Verfügung stehenden Einbauraum für die Antennenträger am und im Flugzeug konstruieren zu können, sind hochgenaue Geometriedaten notwendig. Im vorliegenden Fall werden die Strukturen auf den Sitzschienen innerhalb des Flugzeuges montiert und ragen durch einen Schacht im Boden hinaus unter den Flugzeugrumpf. Dort wird in einer aerodynamischen Verkleidung die Antenne gelagert. Sie ist dabei um die Hochachse, in gewissen Grenzen, drehbar gelagert.

Für dieses Projekt waren insbesondere der Schacht sowie die Bereiche um ihn herum – Boden innerhalb der Kabine und Bereich unterhalb des Flugzeugrumpfes – von Interesse. Zur Realisierung des Projektes wurden exakte CAD Modelle von Bereichen zweier Flugzeuge zur Konstruktion dieser Trägerstrukturen bzw. Halterungen benötigt. Hierzu mussten zunächst 3D-Scans erstellt werden, aus denen im Anschluss die CAD-Modelle generiert werden können. Diese dienen als Grundlage für die Konstruktion der Antenennhalterungen für zwei Do 228 (DLR-eigene Forschungsflugzeuge) um im Formationsflug SAR Aufnahmen im unteren Frequenzbereich (L-Band) durchführen zu können. Es werden hierzu Antennen unterhalb des Flugzeugrumpfes installiert, die seitlich schräg zum Boden abstrahlen und empfangen.

Eingesetzte Messtechnik- und Scansysteme

Für die Oberflächen- und Volumenscans kontaktierte das DLR den Messtechnik- und Engineering Service von Creaform.

Aufgrund der benötigten Genauigkeit, des gewünschten Detailniveaus und der Erreichbarkeit der Bereiche waren die Creaform Scan-Systeme dank Ihrer Portabilität, Schnelligkeit und Genauigkeit für dieses Projekt gut geeignet. Zum Einsatz kamen die 3D-Scanner MetraSCAN 3D und HandySCAN 3D sowie das Photogrammmetriesystem MaxSHOT 3D. Gescannt wurden zwei Flugzeuge  im DLR-Forschungsflugbetrieb an den Standorten Oberpfaffenhofen und Braunschweig.

Das gesamte Positionsmodell des Flugzeuges (Innenbereich und Außenbereich) wurde mit dem MaxSHOT 3D aufgenommen. Dieses Photogrammmetriesystem erlaubt die Genauigkeit der Gesamtmessung zu erhöhen und die Maße des Außenbereichs mit denen des Innenbereichs zu verbinden. Mit dem MetraSCAN 3D Scanner wurden die relevanten Außenbereiche des Flugzeuges wie der Flugzeugrumpf erfasst, mit dem HandySCAN 3D Scanner Details und schwer zugängliche Bereiche im Inneren des Flugzeuges, wie zum Beispiel die Bodenluke.

Die Nachbearbeitung der Scans erfolgte in der Software in VXmodel: Zunächst wurde der Scan bereinigt, ausgerichtet und unnötige Flächen entfernt. In der Folge wurde der Scan für die Flächenrückführung (Reverse Engineering) in CATIA vorbereitet. Pro Flugzeug dauerten die Messungen vor Ort ca. 4-5 Stunden (inkl. Auf- und Abbau), die Nachbearbeitung ca. 2-3 Stunden und die Flächenrückführung fast zwei Wochen.

Bild unten: Scan und nachkonstruiertes CAD Model der Bodenluke eines gescannten Flugzeuges

Eine erste Skizze der Konstruktion eines der beiden Antennenträger, integriert in den vorliegenden 3D Scan der Flugzeugkabine, zeigt die folgende Abbildung. In den Daten kann auf einzelne Nietpositionen, die Sitzschienen im Innenraum oder Stöße der Bleche am Flugzeugrumpf Bezug genommen werden.

Fazit und ROI

Dipl.Ing. Markus Limbach vom DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme zeigt sich zufrieden: „Die verwendete Hardware erschien uns, zusammen mit der umfassenden Möglichkeit und Expertise von Creaform in der Datenverarbeitung, als optimal für unsere Aufgabe. Weniger gute Erfahrungen haben gezeigt, dass nicht alle Anbieter den gleichen Qualitätsstandard bieten können.“

„In Hinblick auf den ROI, den wir durch den Einsatz des Creaform-Messtechnik-Teams erwirtschaftet haben, rechnen wir mit einer zeitlichen Arbeitszeit-Einsparung von etwa 6-8 Wochen. Wir sind rundherum zufrieden.“

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Über das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) – Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist das Forschungszentrum der Bundesrepublik Deutschland für Luft- und Raumfahrt. Es betreibt Forschung und Entwicklung in Luftfahrt, Raumfahrt, Energie und Verkehr, Sicherheit und Digitalisierung. Mit Hauptsitz in Köln ist das DLR an insgesamt 30 Standorten in Deutschland vertreten.  Es nutzt sein Know-how, um Lösungen für globale Herausforderungen und Technologien für eine nachhaltige Zukunft zu entwickeln. So trägt das DLR dazu bei, den Wissens- und Wirtschaftsstandort Deutschland zu stärken.

Am Standort Oberpfaffenhofen entwickelt das Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme innovative Sensoren, Algorithmen und Anwendungen für die boden-, flugzeug- und satelliten-gestützte Radar-Fernerkundung. Für die deutschen Radarsatellitenmission TanDEM-X und zukünftigen Missionen bereitet es die Systemeigenschaften mit Flugzeugexperimenten vor. Das DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme hat dazu auch die Flugzeug-getragenen Radarsysteme F-SAR und DBF-SAR entwickelt und betreibt diese sehr erfolgreich. Mit mehr als 30 Jahren Erfahrung gehört es zu den weltweit führenden Einrichtungen in der Sensortechnologie sowie insbesondere in der Prozessierung der Daten und Algorithmen zur Produkterzeugung.

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