Primäre Strukturen der ARIANE 5
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- Dennis Maier
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1 Eröffnungskolloquium des ISD, Uni Hannover Primäre Strukturen der 19. Mai 2005 J. Scharringhausen, R. Pernpeintner MAN Technologie AG MAN Technologie AG Franz-Josef-Strauß-Straße 5 D Augsburg Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
2 Derzeitige Baugruppen der in CFK-Bauweise, bzw. mit CFK-Anteil Nutzlast-Fairings Satelliten-Adapter (Sylda, Speltra) bei ESC-A-Stufe: Interstage-Struktur Front-Skirt: Inner Skin Hochdrucktank GAM Hochdrucktanks GAT Thermalschutzkomponenten Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
3 MT - Lieferanteile an Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
4 MT - Lieferanteile an Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
5 MT - Lieferanteile an * * Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
6 MT - Lieferanteile an Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
7 Auslegungskompetenzen Engineering Material Charakterisierung Analyse / Design / Fertigungsentwicklung / Proben- und Bauteil-Tests Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
8 Spezielle Fertigungskompetenzen Umformen Fließdrücken, Spinforming, Kriechformen Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
9 Spezielle Fertigungskompetenzen Schweißen Elektronenstrahlschweißen (150 m³ Vakuum-Kammer), Reibrührschweißen Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
10 Spezielle Fertigungskompetenzen Hochtemperatur-Keramik CMC- Steuerklappe (Body flap) CMC Flügelnase Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
11 Faserverbundfertigung Nasswickeltechnik Druckbehälter für verschiedene Anwendungen - Vergangenheit: Gasultrazentrifugen Gehäuse für Feststoffraketenmotoren Verschiedene Streben und Wellen - e Produkte: Trinkwasser- und Abwassertanks für Airbus Hochdruckbehälter mit metallischem Liner z. B.: GAT/GAM HPV für Tanks für Satelliten MSG, ATV Strebe für Cargo-Lifter Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
12 Faserverbundfertigung (Forts.) Prepreg-Technologie Monolithische und Sandwich-Strukturen - Vergangenheit: SOFIA-Teleskop-Struktur, IRAM-Teleskop PRONAOS-Spiegelstruktur Satellitenstrukturen für SILEX, ORPHEUS, - e Produkte: Front Skirt - Inner Skin und Thermalschutzstrukturen Serienproduktion von Hubschrauberteilen für Eurocopter A5 front skirt - inner skin Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
13 Faserverbundfertigung (Forts.) Liquid Resin Infusion und Injektionstechnologien - Spezifisches know-how bei der Verwendung von semi-permeablen Membranen für Vakuum-Infusion (Patent eingereicht). - Erfahrungen mit sehr unterschiedlichen Dimensionen und Geometrien der Bauteile, vor allem mit großen zylindrischen Strukturen. e Beispiele: Airbus Pressure Bulkhead Airbus Flap-track Beam Demonstratoren für Booster-Gehäuse Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
14 Boostergehäuse CPN - Derzeitige Version: 3 Segmente aus 7 Zylinder + 2 Dome hochfester Stahl D6AC (Rm = 1500 MPa) Masse 18 t 238 t Festtreibstoff max. 600 t Schub Schürze Segmentverbindung 11065,5 DAAR-Ring Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
15 Boostergehäuse CPN - : Innendruck: MEOP 68 bar, Berst 85 bar, optimaler Druck abhängig vom Gehäuse (MEOP bis 86 bar denkbar). Steifigkeit nicht genauer spezifiziert, möglicherweise: ε axial 0.6%, ε radial 1.0%. Konsequenz: Keine reine Auslegung auf Innendruck! Segmentierung Kosten: 2 Segmente, Teilung wg. Einrichtungen in Kourou erforderlich maximale Länge mm bzw mm. 30% günstiger als heutiger CPN. Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
16 Boostergehäuse CPN Auswahl Fertigungsverfahren: Nasswickeltechnik - Chancen und Risiken + Bewährtes Verfahren für rotationssymmetrische Bauteile + Fasern können lastgemäß drapiert werden + Anwickeln der Dome problemlos möglich + Insitu Faserimprägnierung mit Harzsystemen + hohe Abzugslängen - limitierte Topfzeit des Harzes - Umwelt- und Arbeitsschutzproblematik aufgrund offener Harzsysteme - Viele Zwischenhärtungen erforderlich - Hoher Rüstaufwand vor und nach jeder Zwischenhärtung erforderlich Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
17 Boostergehäuse CPN Auswahl Fertigungsverfahren: Prepreg-/Autoklavverfahren - Chancen und Risiken + Bewährtes Verfahren + Fasern können lastgemäß drapiert werden - limitierte Verarbeitungszeit des Prepregs - Hoher Investitionsaufwand ggf. sogar mehrere Tapeleger - Hoher Aufwand für Infrastruktur - Häufige Prozessunterbrechungen durch Zwischenverdichtung und -härtung - begrenzte Abzugslänge Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
18 Boostergehäuse CPN Auswahl Fertigungsverfahren: Infiltrationstechnik - Chancen und Risiken + Trennung des Herstellverfahrens in 4 Fertigungsschritte Preformherstellung > Infiltrationsaufbau > Injektion und Vorhärtung > Temperung + Senkung der Herstellkosten durch einfache Infrastruktur + Kostengünstige Fertigungsmittel + Kurze Legezeiten + Große Wandstärken in One-Shot Härtung + Hohe Laminatqualität (Porengehalt 0,5 %!) + Nachinfiltration auch als Reparaturlösung - endliche Halbzeugdimension, damit größere Masse - Faserstreckung durch Ringproblem - Faltenbildung durch Setzwege Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
19 Boostergehäuse CPN Auswahl Fertigungsverfahren: Zusammenfasssung Mit allen beschriebenen Verfahren ist die Herstellung eines Verbundgehäuses möglich Bei allen Verfahren kann auch der Dom mit durchgehenden Fasern integriert werden Als kostengünstigstes Verfahren hat sich das Infusionsverfahren (Niederdruck) herauskristallisiert. Das Infusionsverfahren wird ausgewählt. Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
20 Boostergehäuse CPN Verbundaufbau: Faser: Matrix: T 700 Klasse Epoxy Dom-Kreuzlagen: Schürzenstruktur: Umfangslagen: Aufdickungen: Schürze-I/F: Segmentverb.: 5 mm 9 mm 8 mm 15 mm 28 mm Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
21 Boostergehäuse CPN Segmentverbindung: Fall-Back Lösung metallic H- ring assembly groove Clevis-Tang CFRP cylindrical segment CFRP cylindrical segment t max = 42 mm O-Ring sealing groove Bolzendurchmesser: 32 mm Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
22 Boostergehäuse CPN Segmentverbindung: Favorisierte Lösung outer metallic ring CFRP inner metallic ring inner insulation Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
23 Boostergehäuse CPN DAAR-Ring Ring: Fitting Bolzen A CFK-Struktur Lokale Aufdickung Lokale Aufdickung Schaumkern A Inserts Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
24 Boostergehäuse CPN Demonstratoren: ca. 365 kg Harz ca. 790 kg Faser ca. 58 % Fas.-Vol.-Geh. Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
25 Gegenwärtige Aktivitäten ten für f Front-Skirt Skirt: Bau eines Demonstrators für den Krafteinleitungsbereich zur Entwicklung und Demonstration von Fertigungstechnologien Untersuchung der lokalen Einleitung der Boosterkräfte in die CFK Struktur Untersuchung der Verbindung zwischen Front Skirt und darunter liegendem Sauerstoff-Tank (LOX) unter cryogenen Bedingungen Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
26 Krafteinleitung für f Front-Skirt Skirt: Lokale Last von 4000 kn muss in die Struktur eingeleitet werden. Konzept: Monolithische CFK- Zylinderschale Monolithische CFK- Krafteinleitungsrippen Monolithische, geschlossene CFK- Ringspant-Segmente Aluminium DAAV Interface Platte Aluminium Krafteinleitungsschuh Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
27 Gegenwärtige Aktivitäten: ten: Material-Screening-Programm: Auswahl von Faser, Matrix vorkonfektionierte, textile Produkte Lochleibung Definition von Probekörpern unter Berücksichtigung Segmentverbindung Testen, Auswerten Kraftverzweigungen Erarbeitung der kritischen Punkte Definition Probenprogramm, Testen, Auswerten Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
28 : Faserverbundwerkstoffe werden bei zukünftigen Raumfahrtprojekten eine größere Rolle als Werkstoff für Primärstrukturen spielen als bisher. Das zeigt sich u. a. an den Themen der gegenwärtigen Programme, z.b. FLPP. Beispiel: EVEREST-Studie der CNES Die kryogen Tanks der ersten und zweiten (wiederverwendbaren) Stufen sind in CFK-Bauweise angedacht. Tanks der ersten Stufe haben einen Durchmesser von ca. 7 m. Die Entwicklungsprogramme von MAN Technologie AG sind so ausgerichtet, dass sie Basis für zukünftige Entwicklungsaufgaben sind. Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
29 Danke! Copyright by MAN Technologie AG VR/TE Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover
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