Entwicklung und Charakterisierung eines ablativen Thermalschutzmaterials

Abstract

Die vorliegende Arbeit, die ihren Ursprung im Leitprojekt Rückkehrtechnologie für hochenergetische Bahnen der HGF Allianz DLR@Uni hat, umfasst die Entwicklung, Charakterisierung und Einordnung eines niederdichten, ablativen Thermalschutzmaterials. Im Rahmen der Materialentwicklung wurden zunächst Screeningtests im Plasmawindkanal PWK1 des Instituts für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart durchgeführt. Durch die gezielte Variation der Parameter Harzsystem, Typ der Faserverstärkung bzw. Orientierung der Verstärkungsfaser, wurde deren Einfluss auf die ablativen Materialeigenschaften untersucht. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde ein Fertigungsverfahren entwickelt, das es ermöglicht, Faserstrukturen in eine mikroporöse, aerogelartige Phenolharzmatrix einzubetten. Das resultierende, unter der Bezeichnung ZURAM eingetragene Thermalschutzmaterial liegt dabei auf einem Leistungsniveau vergleichbar dem etablierter Thermalschutzwerkstoffe; es zeichnet sich gegenüber artgleichen Werkstoffen jedoch dadurch aus, dass es keinen exportrechtlichen Restriktionen unterliegt. Während der Untersuchungen im lichtbogenbeheizten Windkanal L3K des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), wurde an ZURAM-Proben bei einer Wärmestromdichte von 13,5 MW/m² eine Rezessionsrate von 0,29 mm/s ermittelt. Das Material mit einer Dichte von 0,42 g/cm³ weist im thermisch unbehandelten Zustand eine Wärmeleitfähigkeit von 0,545 W/(m K) parallel bzw. 0,256 W/(m K) orthogonal zur Faservorzugsrichtung auf. Die Fertigung anwendungsrelevanter Musterbauteile machte ein Upscaling der Bauteilgröße erforderlich. Während der Prozessführung kam es hierbei, ausgelöst durch exotherme Prozesse in Verbindung mit den angewachsenen Bauteildimensionen, zu einem destruktiven Wärmestau innerhalb der Bauteile. Die Problematik der unkontrolliert ablaufenden Vernetzungsprozesse wurde durch die Entwicklung einer fluidgekühlten Temperung gelöst, die eine weitestgehend bauteilgrößenunabhängige Herstellung von ZURAM-Platten ermöglicht. Nach der vorläufigen Fixierung des Fertigungsprozesses wurde das Thermalschutzmaterial mechanisch und thermisch charakterisiert. Untersucht wurden dabei sowohl thermisch unbehandelte ZURAM-Proben als auch unter Inertgasatmosphäre thermisch ausgelagertes Probenmaterial. Ziel der Untersuchungen war neben der Bereitstellung wesentlicher zur Auslegung eines generischen Thermalschutzsystems benötigter Materialkennwerte eine Einordnung gegenüber etablierten Thermalschutzwerkstoffen. Aufgrund der eingeschränkten Verfügbarkeit adäquater Werkstoffkennwerte erwies sich eine solche Einordnung als schwierig; sie gelang lediglich eingeschränkt anhand der effektiven Ablationsenergie gegenüber dem von der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA entwickelten Phenolic Impregnated Carbon Ablator (PICA). Abschließend wurden aufbauend auf der ZURAM-Fertigungsroute Möglichkeiten zur Steigerung der ablativen Performance untersucht. Die Standardversion von ZURAM basiert auf der Kohlenstofffaserpreform Calcarb. Durch die Substitution von Calcarb durch eine Phenolharzfaserpreform konnte in diesem Zusammenhang eine Absenkung der Wärmeleitfähigkeit um eine Größenordnung gegenüber der Standardversion erreicht werden.