DLR Magazin 147 - page 22-23

Bild: RUAG
Gesamtsystem mit dem Kameraelement (links) und
der Reentry-Kapsel aus WHIPOX
TM
zur Speicherung
der Bilder (rechts)
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G
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WIEDEREINTRITTSTECHNOLOGIE
Kühl bleiben bei extremer Hitze
Damit bei extrem hohen Temperaturen ein kühler Kern bewahrt werden
kann, wurde im DLR Stuttgart eine Kapsel mit einem Thermalschutz-
und einem Isolationssystem entwickelt, die sowohl der Hitze als auch
den mechanischen Belastungen während des Wiedereintritts standhält.
Auch musste das Material für elektromagnetische Funkwellen durch-
lässig sein, um eine Verbindung mit dem Satelliten zu ermöglichen.
Aufgrund der Erfahrung aus dem Wiedereintrittsprogramm SHEFEX
wussten die Wissenschaftler, dass WHIPOX
TM
, ein beim DLR in Köln
entwickeltes faserverstärktes Material auf Aluminiumoxidbasis, genau
die Eigenschaften mitbringt, die für die Kapsel benötigt wurden. Neben
dem Material gibt es eine weitere „Stellschraube“, um die Temperaturen
möglichst gering zu halten: Die Form. „Wir entschieden uns für eine
runde Kapsel. Diese war zum einen einfach und schnell zu fertigen und
zum anderen lässt sich die Wärmebelastung einer Kugel sehr gut ab-
schätzen“, so Christian Dittert. „Außerdem taumelt eine runde Kapsel
und so verteilen sich die Wärmelasten gleichmäßig. Die eigentliche
Herausforderung war aber die kurze Zeitspanne, um das Projekt zu
realisieren.“ Zwischen dem Kick-off am 15. Juli 2013 und dem Flug
am 29. Juli 2014 lag gerade mal ein Jahr. In den vier Monaten bis zur
Auslieferung an RUAG am 29. November 2014 wurde das Bauteil
konstruiert, gefertigt, simuliert und getestet.
Aufgrund der kurzen Zeitspanne musste das Design einfach, robust
sowie schnell zu fertigen sein und trotzdem allen thermischen, mecha-
nischen und elektronischen Anforderungen gerecht werden. Bereits
zwei Monate nach Beginn des Projekts stand das Design fest. Konstru-
iert und ausgelegt wurde die Kapsel im Institut für Bauweisen und
Strukturtechnologie; die Grundformen der faserverstärkten Kera-
mikkapsel wurden im DLR-Institut für Werkstoff-Forschung in
Köln gefertigt. Endbearbeitet und für den finalen Einbau der
Elektronik bei RUAG in Zürich vorbereitet wurde die Kapsel
dann wieder im DLR Stuttgart. „Ziemlich schwierig war das
Einsetzen der äußeren Stecker, die als Temperaturschalter, aber
auch zur Datenübertragung der Bilder aus der Kamera genutzt
werden. Da die Stecker deutlich schneller schmelzen als die
Keramik, mussten sie von innen speziell abgedichtet werden,
um zu verhindern, dass Heißgas in die Kapsel eindringt. Die
Isolierung, deren Struktur sehr leichtem Filz oder gepresster Zu-
ckerwatte ähnelt, wurde zur besseren Handhabung in 26 kleine
handgefertigte Kissenbezüge eingenäht. Das war sehr zeitaufwändig“,
erinnert sich Dittert. Nach der Auslieferung der Flughardware wurde
eine Testkapsel aufgebaut, die bei ähnlichen Belastungen wie beim
Wiedereintritt getestet wurde. Die Ergebnisse dienten dazu, das Kon-
zept und die Simulationen zu verbessern.
Wiedereintrittskapseln bleiben ein spannendes Thema
Wie werden Reentry-Kapseln in Zukunft aussehen und wie können sie
eingesetzt werden? – Auf jeden Fall werden die Systeme zur Untersu-
chung der Prozesse beim Wiedereintritt noch kleiner werden. Schwierig
dabei ist, dass bei kleinerer Fläche und somit kleinerem Radius die
Wärmebelastung ansteigt. Ein anderes Konzept wäre eine aerodyna-
misch stabile Form ähnlich der eines Federballs, bei der die vordere
Seite sehr heiß wird und die hintere kühler bleibt. Im Bereich Wieder-
eintrittstechnologien werden deshalb Möglichkeiten untersucht, solche
Kapselkonzepte mit Hilfe neuartiger Ablatoren kleiner und leichter zu
gestalten. „Kleine Reentry-Kapseln werden eine große Zukunft ha-
ben“, ist sich Christian Dittert sicher, sei es als Experimentierplattform
oder Blackbox für Raumfahrzeuge oder als Transportbehälter für rück-
führbare Proben von der ISS. „Das Einsatzpotenzial ist riesig.“
Nicole Waibel
ist im Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie unter anderem für
Öffentlichkeitsarbeit zuständig.
s.DLR.de/8v30
Die Halbschalen aus WHIPOX
TM
bei der Endbearbeitung
im DLR-Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie
in Stuttgart
Kleine Isolierkissen verhinderten den Wärmeeintrag auf
die Elektronik
Die fertige WHIPOX
TM
-Halbschale, gefüttert mit den
Isolierkissen
GLOSSAR
ATV
Automated Transfer Vehicle
(Automatischer Raumtransporter)
ESA
European Space Agency
(Europäische Weltraumorganisation)
ISS
International Space Station
(Internationale Raumstation)
RUAG Schweizer Technologiekonzern mit Sitz
in Bern, Kürzel geht zurück auf die Rüs-
tungsunternehmen-Aktien-Gesellschaft
ETH Zürich Eidgenössische Technische Hochschule
Zürich
GMT
Greenwich Mean Time
(Mittlere Greenwich-Zeit)
BUC
Break-Up Camera (Kamera zur Aufnahme
des Auseinanderbrechens des ATV-5)
CPU
Central Processing Unit
(Zentrale Prozessierungseinheit)
SHEFEX Sharp Edge Flight Experiment
(Scharfkantiges Flugexperiment)
WHIPOX
TM
Wound highly porous oxide composite
(Oxidkeramischer Faserverbundwerkstoff)
Christian Dittert, geboren 1983 in Rüdersdorf bei Berlin, studierte Luft-
und Raumfahrttechnik an der Universität Stuttgart. Seit 2011 arbeitet er in
der Abteilung Raumfahrtsystemintegration des DLR-Instituts für Bauweisen
und Strukturtechnologie in Stuttgart. Er ist Mitglied der Helmholtz-Nach-
wuchsgruppe „Hochtemperaturmanagement für den Hyperschallflug“ und
promoviert zum Thema „Entwicklung und Charakterisierung einer transpi-
rationsgekühlten scharfen Anlaufkante für den Wiedereintrittsflug“.
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