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Entwicklung von Steuerflächen für Höhenforschungsraketen im SHT



Ergebnis einer FEM-Berechnung

SHEFEX steht für Sharp Edge Flight Experiment. SHEFEX II ist die zweite Höhenforschungsrakete in einer Reihe von bis zu fünf Weltraumflugkörpern. Das DLR verfolgt hiermit eine langfristig angelegte Forschungsarbeit zum kostengünstigen Wiedereintritt von Raumflugkörpern in die Erdatmosphäre. SHEFEX II ist die Weiterentwicklung der SHEFEX I Rakete: größer und komplexer. Neue technische Gebiete werden hiermit betreten.

Besondere Aufmerksamkeit kommt den Flugeigenschaften und der Flugregelung dieser scharfkantigen, nur mit glatten Flächen ausgestatteten Rakete zu. Man möchte diesen aerodynamisch ungünstigen Körper bei sehr hoher Geschwindigkeit (bis Mach 12) eben aerodynamisch im Luftraum steuern. Hierzu wird die Rakete mit einem sogenannten Canardsmodul versehen. Canards sind kleine Steuerflächen, die man von Kampfflugzeugen her kennt. Bei SHEFEX II gibt es davon 4, jeweils 90° zueinander im Raketenumfang angeordnet, die 12° bewegt werden können.

Die Aufgabe für das Engineering im Systemhaus Technik (SHT) besteht nun in der Strukturentwicklung dieses Canardsmoduls. Zudem wird konstruktives Fachwissen für alle Einbauten verschiedenster Unterauftragnehmer eingebracht, damit das Gesamtsystem Canardsmodul den hohen Anforderungen dieses Raumfahrtexperiments gerecht wird.

CAD-Bild Canardsmodul

Durch die Steuerflächen (Canards) werden bei den extremen Geschwindigkeit sehr große Kräfte auf die Struktur übertragen. Hinzu kommen weitere Kräfte der Gesamtrakete sowie thermische Belastungen. Die wechselnden Flugphasen Atmosphäre - Weltraum – Atmosphäre ergeben weitere zu beachtende Randbedingungen. Sie haben zum einen Einfluss auf die Wahl der Materialien, zum anderen aber auch auf die Dichtigkeit der Rakete. Beim Wiedereintritt strömt bis zu 2000°C heißes Plasma am Modul entlang. Ein Eindringen dieses Plasmas in die Rakete würde wahrscheinlich das Ende der Experimentphase und den Totalverlust der Rakete bedeuten.

Diese geben mit der Anforderung einer geringen Masse den Rahmen für die Entwicklung an. Zur Realisierung muss nun die Struktur massen- und kraftflussoptimiert werden. Hierfür werden CATIA V5 als Konstruktionssoftware und NASTRAN/PATRAN als FEM-Software eingesetzt.

Zudem müssen Vorgaben an Lieferanten für die Energieversorgung und den Antriebhersteller benannt werden, damit das ehrgeizige Massenziel (90 kg) erreicht wird. Derzeit werden einzelne Komponenten Umwelttests (Vakuum, Belastungen, Beschleunigungs- und Frequenztests) unterworfen. Schwächen können so aufgedeckt werden, aber auch Qualität wird auf einem sehr hohen Niveau bestätigt.


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