Auslegung eines Lastbegrenzerelements für Explorationslandeplattformen

Kurzfassung

Landungen auf extraterrestrischen Körpern wie dem Mars oder dem Mond rücken durch Raumfahrtprogramme wie das Artemis-Programm wieder in den Vordergrund. Ein wesentlicher Bestandteil der Landesysteme sind dabei Lastbegrenzungselemente, die die Einschlagskraft bei der Landung aufnehmen und so die Nutzlast oder Menschen schützen. Ziel dieser Arbeit ist, ein Kraft-Geometrie-Verhältnis für einen Lastbegrenzer zu ermitteln. Dieser Lastbegrenzer, der an den Sekundärstreben der Beine eines Landekörpers angebracht werden soll, wurde vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Zusammenarbeit mit der israelischen Raumfahrtbehörde entwickelt und patentiert. Er hat die Form eines gebogenen Metallstabs. Um den Zusammenhang zwischen der Geometrie des Lastbegrenzers und der Kraft, bei der die plastische Verformung einsetzt, zu ermitteln, wird simulativ ein quasi-statischer Zug-Druck-Versuch durchgeführt. Dafür wird in dieser Arbeit zuerst das Modell des Lastbegrenzers aus der Patentschrift parametrisiert und analytisch untersucht. Auf Basis dieser Untersuchung wird nach der Methode Design of Experiments ein Versuchsplan erstellt. Durch Modifikation der geometrischen Abmessungen und der Materialien werden drei Parameter des Lastbegrenzers variiert. Diese Parameter sind die Höhe, die Querschnittshöhe und die Querschnittsbreite des Lastbegrenzers. Die Lastbegrenzer mit verschiedenen Abmaßen werden in einer Zug- und Druckversuchssimulation mit einer linear ansteigenden Kraft von 0-11 kN simulativ untersucht. Die aus der Simulation ermittelten Kraftaufnahmefähigkeiten der Lastbegrenzer werden mit einer Polynomfunktion interpoliert und mit den analytischen Ergebnissen verifiziert. Die Polynomfunktion spiegelt das Verhalten des Lastbegrenzers in Bezug auf das Kraft-Geometrie-Verhältnis wider und wird mit einer zuvor nicht verwendeten Parameterkombination validiert. Die Regression führt zu einem Relativfehler, der, bei der Auslegung des Lastbegrenzers auf Grundlage dieser Polynomfunktion, berücksichtigt werden muss. Insgesamt wird deutlich, dass der Lastbegrenzer im gewählten Geometriebereich eine Kraft von 500-10 000 N aufnehmen kann, ohne plastisch verformt zu werden. Eine Änderung der Querschnittsbreite bewirkt die größte Veränderung, je breiter der Lastbegrenzer ist, desto höher ist die Kraft, die aufgenommen werden kann. Je größer die Höhe der Lastbegrenzer ist, desto geringer wird die Kraftaufnahmefähigkeit. Der Effekt der Höhe ist geringer als der des Querschnitts, sodass eine Erhöhung dieser Parameter um den gleichen absoluten Wert zu einem Anstieg der Kraftaufnahmefähigkeit führt.