Scansioni 3D e modelli CAD per la progettazione di supporti di antenne su aerei per sistemi SAR

Fonte immagine: DLR

Il centro aerospaziale tedesco si affida ai servizi di misurazione di Creaform

L’Istituto per la tecnologia ad alta frequenza e i sistemi radar del Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), il centro aerospaziale tedesco, studia i sistemi radar e i loro parametri per le missioni satellitari future. A questo scopo, vengono eseguiti preventivamente test con sistemi aerotrasportati, capaci di offrire un’elevata flessibilità. Per lo studio preparatorio, i sistemi radar saranno installati su due aerei a turboelica Dornier Do 228, e le antenne verranno sviluppate, testate e incorporate nel sistema dell’aereo presso l’istituto. L’integrazione richiede speciali strutture portanti per poter montare le antenne sulla fusoliera: sono perciò necessari i dati esatti dei profili (modelli CAD) delle zone di diversi aerei per la progettazione di queste strutture.

Nell’ambito di un nuovo progetto per l’osservazione della Terra con due satelliti radar nella gamma di frequenza della banda L, deve essere installato in via preliminare un sistema paragonabile su due aerei. Attraverso l’osservazione della Terra con due piattaforme portanti che ricevono in contemporanea è possibile sviluppare un’ampia gamma di nuovi prodotti. Per prodotti si intende la valutazione dei dati radar registrati, fino ad arrivare a specifici parametri, modelli, mappe, ecc. Tra questi figurano, oltre al classico modello 3D del terreno, informazioni sulla vegetazione, come il patrimonio arboreo o la deforestazione, le condizioni dei ghiacciai quali velocità di spostamento e variazioni temporanee di volume, la subsidenza e il sollevamento del terreno dovuti a vulcanismo, terremoti o attività mineraria, per citare solo alcuni dei casi applicativi.

Il telerilevamento radar si basa principalmente sul principio SAR (Synthetic Aperture Radar), con il quale, grazie al movimento del sistema radar, si ottiene una risoluzione spaziale molto elevata. Il principio è indipendente dalla distanza e permette quindi di ottenere dallo spazio immagini ad alta risoluzione della superficie terrestre con un’accuratezza molto elevata. Nell’ambito della missione TanDEM-X, il DLR gestisce i satelliti radar tedeschi TerraSAR-X e TanDEM-X. Le ricerche attuali riguardano i possibili sistemi successivi dell’attuale combinazione dei due satelliti in banda X. Tuttavia, a frequenze più basse, come nella banda L, le distanze tra i satelliti aumentano significativamente e aprono ulteriori sfide nell’elaborazione dei dati, così come negli algoritmi e nei modelli per l’estrazione di parametri dai dati radar grezzi. I nuovi sistemi sui due aerei di ricerca Dornier del DLR servono ad approntare questi dati radar, molto prima di qualsiasi potenziale lancio di satelliti.

Compito: creazione di scansioni 3D e modelli CAD di diverse zone dell’aereo

Per poter progettare lo spazio di installazione disponibile per i supporti dell’antenna sull’aereo e nell’aereo, sono necessari dati geometrici estremamente accurati. Nel caso in questione, le strutture sono montate sulle guide dei sedili all’interno dell’aereo e sporgono attraverso un vano nel pavimento sotto la fusoliera. Qui l’antenna è posizionata in una carenatura aerodinamica e può ruotare intorno all’asse verticale entro determinati limiti.

 Di particolare interesse per questo progetto erano il vano e le zone circostanti, tra cui il pavimento all’interno della cabina e l’area sotto la fusoliera. La realizzazione del progetto richiedeva modelli CAD esatti delle zone dei due aerei per la progettazione di queste strutture portanti. È stato perciò necessario creare prima delle scansioni 3D, dalle quali è stato poi possibile generare i modelli CAD. Questi servono come base per la progettazione dei supporti dell’antenna per due Do 228 (gli aerei per la ricerca di proprietà del DLR), al fine di poter effettuare registrazioni SAR nella gamma di frequenza inferiore (banda L) nel volo in formazione. A questo scopo, sotto la fusoliera vengono installate antenne che emettono e ricevono lateralmente in modo obliquo rispetto al terreno.

Apparecchiatura metrologica e sistemi di scansione utilizzati

Per le scansioni delle superfici e dei volumi il DLR si è rivolto al servizio di engineering e metrologia di Creaform.

In considerazione dell’accuratezza richiesta, del livello di dettaglio desiderato e dell’accessibilità delle aree, i sistemi di scansione Creaform erano perfetti per questo progetto grazie alla loro portabilità, velocità e accuratezza. Sono stati utilizzati gli scanner 3D MetraSCAN 3D e HandySCAN 3D e il sistema di fotogrammetria MaxSHOT 3D. È stata eseguita la scansione di due aerei nelle divisioni per il volo di ricerca del DLR presso i siti di Oberpfaffenhofen e Braunschweig.

L’intero modello di posizione dell’aereo (interno ed esterno) è stato acquisito con MaxSHOT 3D. Questo sistema di fotogrammetria permette di aumentare l’accuratezza della misurazione complessiva e di combinare le dimensioni dell’esterno con quelle dell’interno. Con lo scanner MetraSCAN 3D sono state acquisite le aree esterne rilevanti dell’aereo, come la fusoliera, mentre lo scanner HandySCAN 3D è stato utilizzato per acquisire i dettagli e le aree di difficile accessibilità all’interno dell’aereo, come il portello del pavimento.

Il post-trattamento delle scansioni è stato eseguito nel software in VXmodel: inizialmente la scansione è stata ripulita, allineata e privata delle superfici non necessarie. Successivamente, è stata preparata per il reverse engineering in CATIA. Per ogni aereo, le misurazioni sul posto hanno richiesto circa 4-5 ore (compreso montaggio e smontaggio), il post-trattamento circa 2-3 ore e il reverse engineering quasi due settimane.

Immagine sotto: scansione e modello CAD ricostruito del portello del pavimento di un aereo scansionato

Un primo schizzo della progettazione di uno dei due supporti dell’antenna, incorporato nella presente scansione 3D della cabina dell’aereo, è mostrato nella figura seguente. Nei dati, è possibile fare riferimento alle posizioni dei singoli rivetti, alle guide dei sedili all’interno o alle giunzioni delle lamiere sulla fusoliera.

Conclusione e ROI

L’ing. Markus Limbach dell’Istituto per la tecnologia ad alta frequenza e i sistemi radar del DLR si mostra soddisfatto: “L’hardware utilizzato, insieme alle vaste capacità e competenze di Creaform nell’elaborazione dei dati, ci sono sembrati ottimali per il nostro compito. Esperienze meno positive hanno dimostrato che non tutti i fornitori sono in grado di offrire lo stesso standard di qualità”.

“In termini di ROI generato grazie al team di metrologia di Creaform, prevediamo di risparmiare circa 6-8 settimane in termini di tempo di lavoro. Siamo pienamente soddisfatti”.

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Centro aerospaziale tedesco (DLR) – Istituto per la tecnologia ad alta frequenza e i sistemi radar

Il Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) è il centro di ricerca della Repubblica federale di Germania nel campo aerospaziale. Svolge attività di ricerca e sviluppo nel campo aerospaziale, dell’energia, dei trasporti, della sicurezza e della digitalizzazione. Con sede centrale a Colonia, il DLR conta 30 sedi in Germania.  Utilizza il suo know-how per sviluppare soluzioni per le sfide globali e tecnologie per un futuro sostenibile, contribuendo così a rafforzare la posizione della Germania come polo scientifico ed economico.

Nella sede di Oberpfaffenhofen, l’Istituto per la tecnologia ad alta frequenza e i sistemi radar sviluppa sensori, algoritmi e applicazioni innovativi per il telerilevamento radar terrestre, aereo e satellitare. Per la missione satellitare radar tedesca TanDEM-X e per le missioni future, prepara i parametri di sistema con esperimenti aerei. L’Istituto per la tecnologia ad alta frequenza e i sistemi radar del DLR ha anche sviluppato e gestisce con successo i sistemi radar aerotrasportati F-SAR e DBF-SAR. Con oltre 30 anni di esperienza, è una delle istituzioni leader al mondo nella tecnologia dei sensori e, in particolare, nell’elaborazione dei dati e degli algoritmi per la realizzazione di prodotti.

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