Untersuchung eines Tragmantels für eine Schubkammer in Faserverbundbauweise

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung des Einsatzes der Faser-Kunststo-Verbundes (FKV) in der Schubkammerstruktur eines Raketentriebwerks in Form eines Tragmantels. Dieser Werkstoff bietet eine höhere massenspezifische Festigkeit als herkömmliche Materialien und hat das Potential, eine Reduktion der in der Raumfahrt dimensionierenden Gröÿe Gewicht zu erreichen. Die Herausforderungen liegen in der Anisotropie der Materialeigenschaften, der niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der mangelnden Festigkeit bei hohen Temperaturen und der Fertigbarkeit. Vor diesem Hintergrund wurden grundlegende analytische Beschreibungen der Schubkammerstruktur angestellt und erste Konzeptideen zur Ausgestaltung des Tragmantels erarbeitet. Dies mündete in die Erstellung eines Berechnungstools, welches die Materialbelastungssituation anhand der implementierten beschreibenden Gleichungen und der durch die entsprechenden Randbedingungen definierten Eingabeparameter des Systems zunächst für isotrope metallische Werkstoffe lieferte. Die zugrunde liegende Modellierung des Systems wurde mit Ansätzen des dickwandigen Rohrsystems und einer segmentweisen Betrachtung entlang der Schubkammer ausgeführt. Die Lastsituationen wurden aus dem als Referenz genommenen, am DLR entwickelten Triebwerk LUMEN abgeleitet und konnten so zusammen mit den erarbeiteten Konzeptvorschlägen analytisch beurteilt werden. Für die Plausibilisierung der Ergebnisse der analytischen Betrachtung wurde eine Reihe von numerischen Finite-Elemente-Methode-Simulationen (FEM) in Ansys durchgeführt. Dies lieferte eine gute Übereinstimmung mit dem Modellierungsansatz der doppelwandigen Rohrstruktur und zeigte starke qualitative Abweichungen im Bereich der Geometrieänderung der Schubkammer für die segmentweise Modellierung. Die anschlieÿende Anwendung des Berechnungstools basierte folglich auf dem dafür ausreichend verifizierten Ansatz. Hierbei konnte die Nützlichkeit dieses Tools gezeigt werden, in dem die Lastsituation des Gesamtsystems untersucht werden konnte. Anschlieÿend wurde auf Grundlage dieser Modellierung unter Einbeziehung der klassischen Laminattheorie eine erste abschätzende Vorauslegung des FKV-Laminats für die geplanten Validierungs- und Charakterisierungstests vorgenommen. In diesem Zusammenhang erfolgte zudem eine Anpassung der Modellierung hinsichtlich der Dünnwandigkeit sowie ein Vergleich mit dem dickwandigen Ansatz. Abschlieÿend wurden die Ergebnisse der Modellierung, der angestellten Berechnungen und der Bewertung der Konzepte kritisch hinterfragt und in den Gesamtkontext der Zielsetzung und Motivation dieser Arbeit gestellt.