Am Lehrstuhl für Carbon Composites (LCC) der Technischen Universität München (TUM) wurde in Kooperation mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ein Fertigungskonzept für ein kohlenstofffaserverstärktes Modul einer Höhenforschungsrakete entwickelt und umgesetzt. Das CFK-Modul ist im Rahmen einer REXUS Raketenmission mittlerweile zum Flug qualifiziert und bereit für den Start im März 2018.
Gewichtsreduktion von Strukturbauteilen erlaubt bei Raketenmissionen höhere Nutzlasten, größere Flughöhen oder einen geringeren Treibstoffbedarf. Das DLR führt Experimente in der Hochatmosphäre mit Höhenforschungsraketen durch, deren modulare Strukturen bisher aus Aluminium bestehen. Zur Leistungssteigerung der Forschungsraketen wurde im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekts an der TUM ein Fertigungskonzept für ein thermoplastisches CFK-Modul mit integrierten faseroptischen Sensoren entwickelt und umgesetzt.
Aufbau des CFK-Moduls
Ein Modul besteht aus einer dünnwandigen zylindrischen Hülle mit nach innen auftragenden Lasteinleitungsringen zur Verschraubung der einzelnen Module. Die Fertigung wurde in zwei separate Prozesse unterteilt. Die Ringe entstanden durch Formpressen von langfaserverstärktem Thermoplast-Granulat (LFT), die Außenwand im Thermoplastic Automated Fiber Placement (TP-AFP)-Prozess. Über die Regelung der TP-AFP Prozessparameter können die Tapes in situ auf das Substrat und die zuvor gefertigten Lasteinleitungsringe konsolidiert werden. Eine nachgelagerte Konsolidierung im Autoklav erübrigt sich. Als Matrixwerkstoff diente aufgrund der hohen mechanischen und
thermischen Anforderungen jeweils Polyether-etherketon (PEEK).
Details der Herstellung
Die LFT- und Tape-Materialien wurden auf Coupon-Level bei Raumtemperatur und bei Einsatztemperatur von 135 Grad Celsius charakterisiert, um Eingangswerte für die Auslegung mittels FEA zu liefern. Subkomponententests des in situ gefügten Anbindungsbereichs zwischen Hülle und Ringen sowie Schraubenauszugstests sicherten kritische Bereiche des Moduldesigns ab. An einem Prüfmodul wurden ein Vibrationstest sowie ein Biegetest bis zum Versagen der Struktur durchgeführt, der Flug selbst findet mit einem zweiten Modul statt.
Während der TP-AFP-Fertigung wurden gekapselte Faser Bragg Gitter (FBG)-Sensoren in das Laminat integriert. Ein Messsystem im Modul nimmt die Daten der Sensoren auf und verarbeitet sie weiter. So ist die Messung der Temperatur innerhalb der Struktur während des Flugs möglich.
Einsatz im Weltraum
Das CFK-Modul mit integrierten Sensoren und Messsystem ist Teil der REXUS Mission XXIII mit einem planmäßigen Startfenster Mitte März in Kiruna, Schweden. Das REXUS Programm ermöglicht es Universitäten aus ganz Europa, Experimente auf Höhenforschungsraketen durchzuführen und wird im Rahmen eines bilateralen Abkommens
zwischen DLR und dem Swedish National Space Board realisiert. Weitere Informationen zur Mission sowie Livestreams des Starts und der Messdaten sind auf der Webseite des LCC verfügbar.
