Experimental and Theoretical Analysis of Viscous Fluid Damping Mechanisms for Spacecraft Appendage Application
Authors
Gadegaard, Emil Bøgedal ; Hlynsdottir, Iris Magnea
Term
4. term
Education
Publication year
2026
Submitted on
2026-06-05
Abstract
This project examines how to reduce unwanted motion (damping) in a Micro-8 platform, which is a small satellite platform for space applications. The focus is on a solar array hinge that needs a built-in damping mechanism so that the solar panels move in a controlled way and do not oscillate freely in orbit. The project is carried out in collaboration with Space Inventor, which provides design requirements based on the space environment that the system must withstand. Many different damping methods exist, and the project first describes current solutions. It then develops mathematical models for two specific types of dampers: a drum-based shear-gap damper and a single-vane damper. Demonstrator units are built using alternative materials that are not suitable for actual space use, but which are appropriate for testing the basic physical principles. The goal of the models is to describe how strong the damping is (damping coefficients) and the fluid torque generated in the liquid used to damp the motion. For the shear-gap damper, an analytical model is developed that adds together the damping contributions from the cylindrical, top, and bottom parts of a system with two concentric cylinders. For the single-vane damper, a numerical hydraulic fluid model is created to calculate how the fluid behaves. In this case, the damping coefficient depends on the flow geometry, whether there is a hole in the vane, and whether the flow is laminar (smooth) or turbulent. Experimental tests are performed to check and validate the theoretical models. The comparison shows that the models capture the overall trends of damping and torque, but they do not match the measured magnitudes exactly. The shear-gap model generally overestimates the damping relative to the experimental results by a factor between 1.3 and 1.8. For the single-vane damper, the deviations are less consistent: without a hole in the vane, the results are mostly overestimated, while with a hole the differences between theory and experiment range from 0.62 to 1.72. Each damper type has practical advantages and disadvantages. The shear-gap damper is simpler to design, manufacture, and model, but it requires more radial space and adds more weight. The single-vane damper can provide higher damping for the same physical size, but it demands a more complex design, more advanced manufacturing, and more detailed modeling. The project concludes that both damper concepts are suitable for further development for space applications, provided that appropriate precautions are taken regarding materials, design, and testing.
Dette projekt undersøger, hvordan man kan dæmpe bevægelser (reducere svingninger) i en Micro-8 platform, som er en lille satellitplatform til rumfart. Fokus er på et solpanelhængsel, der skal have en indbygget dæmpemekanisme, så solpanelerne bevæger sig kontrolleret og ikke svinger ukontrolleret i rummet. Projektet udføres i samarbejde med virksomheden Space Inventor, som leverer krav til, hvilke påvirkninger systemet skal kunne tåle. Der findes mange forskellige metoder til dæmpning, og projektet beskriver først eksisterende løsninger. Derefter udvikles der matematiske modeller for to konkrete typer dæmpere: en tromlebaseret shear-gap-dæmper og en single-vane-dæmper. Demonstratorer bliver fremstillet med alternative materialer, der ikke er godkendt til brug i rummet, men som er velegnede til at teste de grundlæggende principper. Formålet med modellerne er at beskrive, hvor stærk dæmpningen er (dæmpningskoefficienter) og hvilke drejningsmomenter, der opstår i den væske, der bruges til at dæmpe bevægelserne. For shear-gap-damperen udvikles en analytisk model, der lægger bidragene til dæmpningen fra de cylindriske, øvre og nedre dele af et system med to koncentriske cylindre oven i hinanden. For single-vane-damperen udvikles en numerisk hydraulisk model, som beregner væskens opførsel. Her afhænger dæmpningskoefficienten af, hvordan strømningen ledes, om der er et hul i vingen (vanen), og om strømningen er rolig (laminar) eller turbulent. Eksperimentelle forsøg gennemføres for at teste og validere de teoretiske modeller. Sammenligningen viser, at modellerne beskriver den overordnede form af dæmpningen og drejningsmomentet korrekt, men at de ikke rammer størrelserne helt præcist. Shear-gap-modellen overvurderer generelt dæmpningen sammenlignet med målingerne med en faktor mellem 1,3 og 1,8. For single-vane-damperen er afvigelserne mere uens: uden hul i vingen bliver resultaterne typisk overvurderet, mens der med hul ses afvigelser mellem teori og forsøg i et interval fra 0,62 til 1,72. Der er forskellige praktiske fordele og ulemper ved de to typer: shear-gap-damperen er lettere at designe, fremstille og modellere, men den optager mere plads i radial retning og vejer mere. Single-vane-damperen kan give større dæmpning i samme fysiske størrelse, men kræver et mere komplekst design, mere avanceret fremstilling og mere detaljeret modellering. Projektet konkluderer, at begge dampertyper har potentiale til videre udvikling til brug i rumfart, hvis der tages de nødvendige forholdsregler i materialevalg, konstruktion og test.
[This abstract has been rewritten with the help of AI based on the project's original abstract]
Keywords