Keramische Verbundwerkstoffe für Flugkörper

Abstract

In den Szenarien zukünftiger Konflikte spielt der Einsatz von hochagilen Flugkörpern eine zunehmend wichtigere Rolle. Einerseits ist die Bekämpfung gegnerischer Ziele aus größerem Abstand zum Schutz der eigenen Einsatzkräfte erwünscht. Andererseits werden durch die hohe Beweglichkeit gegnerischer Systeme immer kürzere Reaktions- und Bekämpfungszeiten sowie Direkttrefferfähigkeit angestrebt. Die derzeit wichtigste Möglichkeit zur effizienten Steuerung eines Flugkörpers während der Start- und Beschleunigungsphase erfolgt durch eine gezielte Ablenkung des Abgasstrahls durch Strahlruder. Aufgrund der Platzierung dieser Strahlruder direkt im Abgasstrahl werden diese sowohl thermisch – Temperaturen > 2000 °C sowie extremer Thermoschock - als auch mechanisch (abrasiv) sehr stark beansprucht. Um den herrschenden Einsatzbedingungen gerecht zu werden, wurden am DLR Stuttgart faserverstärkte Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix (C/C-SiC) entwickelt, die durch Aufbrin¬gung von Schichtsystemen auf der Basis von CVD-SiC, VPS-B4C und VPS-TiB2 zusätzlich geschützt werden können. Für den Test von Strahlruderproben wurde am Standort Lampoldshausen der Prüfstand Abrasive Heißgasanlage mit einer wassergekühlten Kupferdüse eingerichtet. Da sich in den ersten Tests zeigte, dass die wassergekühlte Cu-Düse einem sehr hohen Verschleiß ausgesetzt war und damit eine undefinierte Strömungsführung die Folge war, wurde eine neuartige keramische Düse gebaut, in deren Kontur die Strahlruderproben eingebaut und erfolgreich getestet wurden. Durch den Einsatz der keramischen Düse auf der Basis von C/C-SiC, hergestellt im LSI-Verfahren, konnten deutlich reproduzierbarere Versuchsbedingungen an den Strahlruderproben geschaffen werden und die Flächenverluste quantifiziert werden. Die Reproduzierbarkeit konnte durch eine Zweitmessung von Proben gleichen Materials validiert werden. Die beste Performance – geringster Flächenverlust - wurde bislang mit einer CVD-SiC Beschichtung trotz einer Schichtdicken von lediglich ca. 100 µm erreicht. Nach 6 Einzeltests von Strahlruderproben an einem Versuchstag mit einer Versuchsdauer von jeweils 7 s unter hochabrasiven Testbedingungen (40 Masse-% Aluminiumpartikel-Anteil im Festbrennstoff) war der Düsenhalsdurchmesser um lediglich 4 mm (von 20 mm auf 24 mm) aufgeweitet. Die bislang eingesetzte wassergekühlte Cu-Düse musste durchschnittlich aufwändig nach 3 – 5 Versuchen ausgewechselt werden, so dass die Zahl der Versuche pro Versuchstag eingeschränkt blieb. Eine weitere Verbesserung der Performance wird durch die Wahl eines noch abrasionsbeständigeren Werkstoffs sowie durch Aufbringen neuartiger Ultrahochtemperatur beständigen Beschichtungen auf der Basis von Titan- und Zirconiumdiboriden via Vakuumplasmaspritzen angestrebt. Zusätzliches Potential bietet die Wahl der Faserorientierung im Bauteil sowie der Herstellungstechnologie (Net-shape). Des Weiteren soll der Prüfstand Abrasive Heißgasanlage in Lampoldshausen weiter ausgebaut werden. Anschließend sollen Kraft- und Momentenmessungen (6-DOF-Messungen) an Einzelstrahlrudern durchgeführt, die Einsatzdauer je nach Anforderung variiert, der Geometrieeinfluss des Strahlruders im Ausgangszustand und bei verschiedenen Zwischenzuständen während der Einsatzbedingungen untersucht sowie der Einfluss verschiedener schubfördernder Treibstoffzusätze (wie z.B. Cl, Al oder B) auf das Erosionsverhalten durchgeführt werden können.