Hochtemperatur Leichtbaustrukturen für Raumfahrtanwendungen



 

 Meilensteine der Entwicklung
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Die systemorientierten Entwicklungsarbeiten konzentrieren sich auf die beiden Bereiche Thermalschutzsysteme (TPS) und heiße Primärstrukturen von Wiedereintrittsfahrzeugen, sowie auf Schubkammertechnologie für effusiv gekühlte, kryogene Raketentriebwerke in neuer Hybridbauweise unter Verwendung polymerer und keramischer Verbundwerkstoffe. Beide Themenfelder sind wichtige Schlüsseltechnologien für die Entwicklung zukünftiger Raumtransportsysteme.

Neben Grundlagenforschung sind die Arbeiten vorwiegend projektorientiert ausgerichtet und  sollen zu erprobten und einsatzfähigen Strukturen führen. Dieser systemorientierte Ansatz führt zur Integration verschiedener Bereiche während des Entwicklungsprozesses und umfasst beispielsweise bei einem TPS die Systemauslegung von heißen faserkeramischen Paneelstrukturen auf der Außenseite bis hin zur Gestaltung einer metallischen Unterstruktur und notwendigen Interfaces. Innerhalb der Abteilung werden dabei vom Vorentwurf bis hin zum Qualifikationstest alle notwendigen Disziplinen abgedeckt. Im Bereich der Konstruktion und Berechnung stehen neben kommerzieller FEM und CAD Software auch spezielle Simulationstools für die gekoppelte Struktur- Strömungsberechnung oder die strukturelle Brennkammersimulation zur Verfügung.

Aufgrund dieser Anwendungen ergeben sich beispielsweise die folgenden Entwicklungsaufgaben:

  • Verhalten von faserkeramischen Hochtemperaturwerkstoffe unter Wiedereintrittsbedingungen (hohe Temperaturen, geringe Drücke, Sauerstoff- und Stickstoffdissoziation)
  • Schutzschichten für Faserkeramiken
  • Isolations-, Dichtungs-, Montage- und Krafteinleitungskonzepte für heiße Aussenstrukturen auf kalter Unterstruktur 
  • Numerische Berechnung der Interaktion Heissgasströmung-Struktur (Berechnung und Entwicklung numerischer Werkzeuge)
  • Entwicklung effusionsgekühlter Strukturen auf der Basis von porösen Werkstoffen 
  • Qualitätssicherungsmethoden

Die Herstellung der faserkeramischen Primärbauteile aus C/C-SiC erfolgt innerhalb des Instituts in der Abteilung „Keramische Verbundstrukturen“ mittels des vom DLR entwickelten Flüssigsilizierverfahrens. Zur Qualifikation der Systeme stehen eigene Heißprüfeinrichtungen und verschiedene zerstörungsfreie Prüfmethoden zur Verfügung, außerdem können zum Beispiel Plasmawindkanäle und Triebwerksprüfstände in anderen DLR-Instituten mit einbezogen werden. Strukturen können in Testeinrichtungen allerdings nur vorqualifiziert werden; letztendlich ist ihr Einsatz unter realitätsnahen Bedingungen, wie zum Beispiel in Flugversuchen, unverzichtbar. Diese experimentelle Erprobung erfolgt fast ausschließlich innerhalb Verbundprojekten auf nationaler und europäischer Ebene und in Kooperation mit anderen Forschungseinrichtungen sowie der Industrie.


Kontakt
Dr.-Ing. Hermann Hald
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie

Tel: +49 711 6862-473

Fax: +49 711 6862-227

E-Mail: Hermann.Hald@dlr.de
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Rückkehrtechnologie – Heiße Strukturen und Thermalschutzsysteme (http://www.dlr.de/bt/desktopdefault.aspx/tabid-4303/3752_read-10083/usetemplate-print/)
Keramische Schubkammer für Raketentriebwerke (http://www.dlr.de/bt/desktopdefault.aspx/tabid-4303/3752_read-10082/usetemplate-print/)
Gekoppelte numerische Strukturanalyse (http://www.dlr.de/bt/desktopdefault.aspx/tabid-4303/3752_read-10081/usetemplate-print/)
Funktionale Verifikation (http://www.dlr.de/bt/desktopdefault.aspx/tabid-4303/3752_read-10080/usetemplate-print/)