预测微陨石造成的损害并尽量减轻其后果
太空探索的商业化，使得对太空和行星探索以及卫星任务的创新技术需求日益增加。为了确保太空结构的安全性和可靠性，评估其结构完整性至关重要。辐射和剧烈的高温波动等严酷的太空环境会加剧材料的劣化与磨损。此外，微陨石撞击的风险无处不在，这可能会造成严重的结构损坏。
太空中的挑战
随着近地轨道（LEO）上卫星数量的不断增加，由空间碎片引发的碰撞概率也在上升。 欧洲航天局（ESA）估计，轨道上直径大于1厘米的碎片超过100万个，其中只有约3万个被编目并受到监测，例如由空间监视网络进行监测。与这些碎片的碰撞以及微陨石的撞击可能会造成结构损坏，从而影响结构元件和电子子系统的功能，最坏的情况下甚至会导致整个任务终止。
目标：在轨评估
在地球上采用的传统无损检测方法在太空中的适用性十分有限。因此，有必要对任务关键型结构和系统进行在轨状态评估，以监测其劣化过程以及撞击损伤等突发事件的发生。
结构监测系统作为一种无损检测方法，已在各工业领域和地面应用中证明了其技术成熟度。接下来的合理步骤是将成熟的监测方法和系统改造并认证为适用于太空的环境，这一工作正作为SeRANIS项目的一部分，通过基于振动和超声波的结构监测“结构事件监测”飞行实验来实施。
通过在SeRANIS研究卫星Athene-1上集成一个原型机，将提供来自近地轨道的振动数据，以提升空间态势感知（SSA）能力，并支持进一步的研究工作。
测试活动
对微小颗粒碰撞和冲击的可靠检测会受到卫星平台上其他子系统发出的结构背景噪声的影响。为了最大限度地提高监测系统的事件检测率，必须针对预期的振动模式对算法检测器进行训练。为此，在弗莱堡的弗劳恩霍夫高速动力学研究所（恩斯特·马赫研究所，EMI）开展了实验，以研究超高速冲击（HVI）。 此次撞击实验采用两级轻气枪（SLGG）进行，该装置可将微粒加速至最高7 km/s。
微粒被放置在弹托中，通过点燃黑火药装药并产生的气体压缩，弹托被加速至所需的发射速度。 由直径为100-200 μm的球形玻璃珠组成的微粒云的一部分，以约2.5 km/s的速度撞击了目标样本（见图1和图2）。该目标样本由空客防务与航天公司（Airbus Defense and Space GmbH）提供，是一个光伏元件，在靶室中与发射轴垂直放置。
为了将微小颗粒加速到超高速，将靶室抽真空至80毫巴。当装载颗粒的弹托进入靶室时，残留大气产生的摩擦力导致弹托分离，从而使部分颗粒云被隔离出来，并有针对性地击中光伏元件。
在靶样上应用了压电陶瓷加速传感器和超声波传感器，这些传感器日后将用于太空领域。
突破超声波传感器的性能极限：Polytec 激光振动计与信号处理器的应用
加速度传感器和超声波传感器的机械设计限制了其可检测的频率范围。此外，传感器惯性及其与承载结构的物理连接等其他因素也会不可避免地影响测量质量，因为高频信号有时无法被完全捕获。为了不影响测量结果的信息含量，采用了Polytec GmbH公司的四台激光振动计。这些设备在目标试样的前后分布的四个测量点上同时测量了冲击信号。 在冲击试验中，通过偏转镜将振动计的激光束对准了预定的测量点。
激光多普勒振动计利用光的频率偏移，该偏移与测量表面的表面速度成正比。该方法在测量频率上没有根本限制，因此即使几兆赫兹的高频运动也能被精确捕捉。因此，激光振动计能够测量远超传统传感器测量范围的瞬态信号。
对于冲击试验而言，利用激光对试样表面进行非接触式测量还具有以下优势：一方面，试样不受质量影响，从而确保了测量数据的高一致性；另一方面，可通过靶室的观察窗方便地进行测量。
这些实验的重点是检测和分析所谓的声发射，这些声发射以弹性超声波的形式在结构中传播。这些被称为兰姆波（Lamb waves）的声发射，是检测微粒引起的高速冲击的可靠指标。现有的结构损伤和劣化效应也会通过类似的现象表现出来，因此通过结构传声发射可以对部件的健康状况作出判断。
其中一个挑战在于，在测试开始时尚不清楚冲击信号的特性及所需的测量参数，因此必须在每次测试之间进行确定和调整。为此，采用了由Polytec 信号处理器提供的功能强大且灵活的分析软件。通过结合频率变换、滤波以及数值微分/积分等软件功能，可以对冲击信号进行分析，并将其与记录的传感器信号进行比较，从而成功优化测量设置。
展望
冲击诱导的波脉冲伴随着一系列复杂的物理过程：可见光、红外和微波波段的电磁辐射从冲击点向外辐射，等离子体和次级粒子云从撞击坑中涌出（参见视频片段），并造成从微裂纹到电池完全穿孔不等的损伤。
为了可靠地探测此类撞击事件的发生，必须了解这些现象所引起的振动和结构传声模式。所开展的研究为创新性探测算法的开发做出了重要贡献，这些算法构成了SeRANIS飞行实验“结构事件监测”（Structural Event Monitoring）的核心。下一步，将利用轰击试验的成果对合适的传感器和硬件组件进行认证。
最后，将对基于振动和超声信号的检测与分类方法进行训练，以评估其在实际运行条件下的适用性。该实验开发的原型将在近地轨道（LEO）进行为期至少两年的任务测试。
