Strukturelle Auslegung modularer CFK-Behälter für flexible Anwendungen in kryogenen Raumtransportsystemen Structural Design of modular CFRP-Containers for flexible Applications in cryogenic Space Transportation Systems

Kurzfassung

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die strukturelle Auslegung verschieden genutzter Strukturen aus kohlestofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) erläutert, deren Anwendungen im Bereich von Raumtransportsystemen angesiedelt sind. Dies umfasst den Brennkammertragmantel einer transpirativ gekühlten faserkeramischen Schubkammer sowie die zylindrischen Mittelsegmente zweier Experimentaltankstrukturen. Alle drei betrachteten Anwendungsbereiche stellen, primär betrachtet, innendruckbelastete Strukturen dar, deren Betrieb unter kryogenen Bedingungen erfolgt. Ziel der Arbeit ist es, die entsprechenden CFK-Strukturen vorzudimensionieren, im Rahmen einer FiniteElemente-Simulation zu modellieren und anschließend detailliert thermomechanisch-transient zu untersuchen. Dabei wird eine bereits beim DLR entwickelte Bolzen-Interface-Technik zum Verbinden von Strukturkomponenten in die Simulationen mit einbezogen. Vor Beginn der Auslegung wird die Motivation der Arbeit dargelegt sowie der Stand der Technik in Bezug auf aktuelle Bauweisen von Raketentriebwerken und Raumfahrt-Tankstrukturen wiedergegeben. Die Dimensionierung beginnt anschließend mit einer analytischen Betrachtung der Strukturen unter zu Hilfenahme der Netztheorie sowie der Klassischen Laminat Theorie. Die daraus abgeleiteten Erkenntnisse dienen als Grundlage für eine nachfolgende statisch-mechanische FEM-Analyse am Fallbeispiel des Brennkammer-Tragmantels. Hier wird der Einfluss verschiedener Laminat-Parameter untersucht. Die Simulation wird anschließend mit einer thermisch-gekoppelten Analyse erweitert, um die im Lastenheft geforderten Belastungen abzubilden. Hier wird im Besonderen Bezug zu dem Einfluss der kryogenen Temperaturen genommen. Die Erkenntnisse, die sich aus der thermomechanischen Simulation der Struktur ergeben, führen zur Auswahl eines finalen Laminatdesigns, das abschließend detailliert analysiert wird. Um den transienten Einfluss der Abkühlung genauer zu untersuchen, erfolgt darüber hinaus eine detaillierte, zeitlich fein aufgelöste Simulation anhand eines reduzierten Modellsegments. Hierbei wird des Weiteren analysiert, welchen Einfluss eine Polymer-Beschichtung auf Perfluoralkoxy-Basis (kurz: PFA) im Rahmen der Abkühlung hat. Schlussendlich werden die gewonnen Erkenntnisse auf die Experimentaltankstrukturen übertragen, die abschließend ebenfalls in einer FEM-Simulation analysiert werden. Abstract Within the scope of this thesis, the structural design of structures made of carbon fibre reinforced polymer (CFRP) used in various applications in the field of space transportation systems is explained. This includes the combustion chamber shell of a transpiration-cooled fiber-ceramic thrust chamber as well as the cylindrical middle segments of two experimental tank structures. All three applications represent internal pressure loaded structures, whose operation takes place under cryogenic conditions. The aim of this thesis is to pre-dimension the corresponding CFRP structures, to model them in a finite element simulation and then to investigate them thermomechanically in detail. A bolt interface technique for connecting structural components, which has already been developed at DLR, is included in the simulations. Before starting the design, the motivation of the work is explained and the state of the art with regard to current designs of rocket engines and space tank structures is presented. The dimensioning then begins with analytical considerations of the structures with the help of the network theory and the classical laminate theory. The results derived from this serve as the basis for a subsequent static-mechanical FEM analysis using the case study of the combustion chamber support shell. Here the influence of different laminate parameters is analysed. The simulation is then extended with a thermal-coupled analysis to take the loads into account required in the specifications. Special reference is made here to the influence of cryogenic temperatures. The conclusion resulting from the thermomechanical simulation of the structure lead to the selection of a final laminate design, which is lastly analysed in detail. In order to investigate the transient influence of cooling more precisely, a detailed simulation with fine temporal resolution is also carried out using a reduced model segment. In addition, the influence of a perfluoroalkoxy-based polymer coating on the cooling process is analysed. Finally, the knowledge gained will be transferred to the experimental tank structures, which will also be analysed in an FEM simulation.