Durchführung einer Charakterisierung von CFK-Material im Zuge der Entwicklung des Approach and Landing Systems des CALLISTO Demonstrators (Praxisbericht)

Abstract

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), die Japanische Organisation für Luftund Raumfahrtforschung (JAXA) und das Französische Zentrum für Weltraumforschung (CNES) entwickeln im Rahmen des Projekts CALLISTO (Cooperative Action Leading to Launcher Innovation in Stage Toss back Operations) einen Demonstrator einer wiederverwendbare Raketenstufe. Durch Wiederentzündung des Triebwerks wird die Rakete auf ihrem Rückflug abgebremst. Die restliche Energie wird von Landebeinen (Approach and Landing System, ALS) aufgenommen. Das ALS besteht aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) und wird vom DLR entwickelt. Im ALS liegen die Kohlefasern als unidirektionales und als Köper-Gewebe vor. Für eine möglichst genaue Auslegung der Landebeine sind realistische Materialkennwerte notwendig. Diese Arbeit befasst sich mit der Bestimmung der Zug- und Schubeigenschaften der CFK-Materialien. Zur Bestimmung der Kennwerte werden Zugproben aus den Materialien angefertigt. Das unidirektionale Gewebe wird in Faserrichtung und quer zur Faserrichtung zur Ermittlung der E-Moduln, der Zugfestigkeiten und Dehnungen in diesen Richtungen geprüft. Zudem wird es ebenfalls mit einer Faserorientierung 45° zur Zugrichtung untersucht, um so den Schubmodul und die Schubfestigkeit zu ermitteln. Das Köper-Gewebe wird durch eine Zugbelastung in Kettund in Schussrichtung geprüft. So können ebenfalls die E-Moduln, die Zugfestigkeiten und die Dehnungen in diesen beiden Richtungen bestimmt werden. Zur Bestimmung der Schubeigenschaften wird auch das Köpergewebe mit einer Faserorientierung von 45° zur Zugrichtung untersucht. Mit Hilfe der ermittelten Kennwerte durch die Versuche, wird ein FE-Modell aufgebaut. Zunächst wird überprüft, ob in diesem Modell bei einer aufgetragenen einachsigen Verschiebung ähnliche Belastungen auftreten. Auch wird überprüft ob das Versagensverhalten der simulierten Proben mit den realen übereinstimmt. Anschließend wird das erstellte FE-Modell verwendet. um die Vordimensionierung des ALS zu verifizieren.