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Eröffnungskolloquium des ISD, Universität Hannover 19.05.2005

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PrimPrimääre Strukturen der ARIANE 5re Strukturen der ARIANE 5

in Faserverbundbauweisein Faserverbundbauweise

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Eröffnungskolloquium des ISD, Uni Hannover

Primäre Strukturen der ARIANE 5

in Faserverbundbauweise

19. Mai 2005

J. Scharringhausen, R. PernpeintnerMAN Technologie AG


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Derzeitige Baugruppen der ARIANE 5Derzeitige Baugruppen der ARIANE 5

in CFKin CFK--Bauweise, bzw. mit CFKBauweise, bzw. mit CFK--AnteilAnteil

Nutzlast-Fairings

Satelliten-Adapter (Sylda, Speltra)

bei ESC-A-Stufe: Interstage-Struktur

Front-Skirt: Inner Skin

Hochdrucktank GAM

Hochdrucktanks GAT

Thermalschutzkomponenten

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MT MT -- Lieferanteile an ARIANE 5Lieferanteile an ARIANE 5

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� Material Charakterisierung

AuslegungskompetenzenAuslegungskompetenzen

� Engineering

Analyse / Design / Fertigungsentwicklung / Proben- und Bauteil-Tests

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Spezielle FertigungskompetenzenSpezielle Fertigungskompetenzen

� Umformen

Fließdrücken, Spinforming, Kriechformen

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� Schweißen

Elektronenstrahlschweißen (150 m³ Vakuum-Kammer),

Reibrührschweißen

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� Hochtemperatur-Keramik

CMC Flügelnase

CMC-Steuerklappe(Body flap)

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FaserverbundfertigungFaserverbundfertigung

• Nasswickeltechnik

Druckbehälter für verschiedene Anwendungen

- Vergangenheit:

Gasultrazentrifugen

Gehäuse für Feststoffraketenmotoren

Verschiedene Streben und Wellen

- Aktuelle Produkte:

Trinkwasser- und Abwassertanks für Airbus

Hochdruckbehälter mit metallischem Liner

z. B.: GAT/GAM HPV für ARIANE 5

Tanks für Satelliten MSG, ATV

Strebe für Cargo-Lifter

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Faserverbundfertigung (Forts.)Faserverbundfertigung (Forts.)

• Prepreg-Technologie

Monolithische und Sandwich-Strukturen

- Vergangenheit:

SOFIA-Teleskop-Struktur, IRAM-Teleskop

PRONAOS-Spiegelstruktur

Satellitenstrukturen für SILEX, ORPHEUS,

- Aktuelle Produkte:

ARIANE 5 Front Skirt - Inner Skin und Thermalschutzstrukturen

Serienproduktion von Hubschrauberteilen für Eurocopter

A5 front skirt - inner skin

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Faserverbundfertigung (Forts.)Faserverbundfertigung (Forts.)

• Liquid Resin Infusion und Injektionstechnologien

- Spezifisches know-how bei der Verwendung von semi-permeablen

Membranen für Vakuum-Infusion (Patent eingereicht).

- Erfahrungen mit sehr unterschiedlichen Dimensionen und

Geometrien der Bauteile, vor allem mit großen zylindrischen

Strukturen.

Aktuelle Beispiele: Airbus Pressure Bulkhead

Airbus Flap-track Beam

ARIANE 5 Demonstratoren für Booster-Gehäuse

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BoostergehBoostergehääuse CPN use CPN -- Derzeitige Version:Derzeitige Version:

3489

10166

11065,5

3 Segmente aus 7 Zylinder + 2 Dome

hochfester Stahl D6AC (Rm = 1500 MPa)

Masse 18 t

238 t Festtreibstoff

max. 600 t Schub

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DAAR-Ring

Segmentverbindung

Schürze


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BoostergehBoostergehääuse CPNuse CPN -- Anforderungen:Anforderungen:

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• Innendruck:

• MEOP 68 bar,

• Berst 85 bar,

• optimaler Druck abhängig vom Gehäuse (MEOP bis 86 bar denkbar).

• Steifigkeit

• nicht genauer spezifiziert, möglicherweise: εεεεaxial 0.6%, εεεεradial 1.0%.Konsequenz: Keine reine Auslegung auf Innendruck !

• Segmentierung

• 2 Segmente, Teilung wg. Einrichtungen in Kourou erforderlich

• maximale Länge 11065 mm bzw. 12400 mm.

• Kosten:

• 30% günstiger als heutiger CPN.


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BoostergehBoostergehääuse CPN use CPN –– Auswahl Fertigungsverfahren:Auswahl Fertigungsverfahren:

Nasswickeltechnik Nasswickeltechnik -- Chancen und RisikenChancen und Risiken

+ Bewährtes Verfahren für rotationssymmetrische Bauteile

+ Fasern können lastgemäß drapiert werden

+ Anwickeln der Dome problemlos möglich

+ Insitu Faserimprägnierung mit Harzsystemen

+ hohe Abzugslängen

- limitierte Topfzeit des Harzes

- Umwelt- und Arbeitsschutzproblematik aufgrund offener

Harzsysteme

- Viele Zwischenhärtungen erforderlich

- Hoher Rüstaufwand vor und nach jeder Zwischenhärtung

erforderlich

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PrepregPrepreg--//AutoklavverfahrenAutoklavverfahren -- Chancen und RisikenChancen und Risiken


+ Bewährtes Verfahren

+ Fasern können lastgemäß drapiert werden

- limitierte Verarbeitungszeit des Prepregs

- Hoher Investitionsaufwand ggf. sogar mehrere Tapeleger

- Hoher Aufwand für Infrastruktur

- Häufige Prozessunterbrechungen durch Zwischenverdichtung

und -härtung

- begrenzte Abzugslänge


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Infiltrationstechnik Infiltrationstechnik -- Chancen und RisikenChancen und Risiken

+ Trennung des Herstellverfahrens in 4 Fertigungsschritte

Preformherstellung > Infiltrationsaufbau >

Injektion und Vorhärtung > Temperung

+ Senkung der Herstellkosten durch einfache Infrastruktur

+ Kostengünstige Fertigungsmittel

+ Kurze Legezeiten

+ Große Wandstärken in One-Shot Härtung

+ Hohe Laminatqualität (Porengehalt ≤≤≤≤ 0,5 %!)

+ Nachinfiltration auch als Reparaturlösung

- endliche Halbzeugdimension, damit größere Masse

- Faserstreckung durch Ringproblem

- Faltenbildung durch Setzwege


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ZusammenfasssungZusammenfasssung

Mit allen beschriebenen Verfahren ist die Herstellung eines

Verbundgehäuses möglich

Bei allen Verfahren kann auch der Dom mit durchgehenden

Fasern integriert werden

Als kostengünstigstes Verfahren hat sich das

Infusionsverfahren (Niederdruck) herauskristallisiert.

Das Infusionsverfahren wird ausgewählt.


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BoostergehBoostergehääuse CPN use CPN –– Verbundaufbau:Verbundaufbau:

Faser: T 700 – Klasse

Matrix: Epoxy

Dom-Kreuzlagen: 5 mm

Schürzenstruktur: 9 mm

Umfangslagen: 8 mm

Aufdickungen:

Schürze-I/F: 15 mm

Segmentverb.: 28 mm


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BoostergehBoostergehääuse CPN use CPN –– Segmentverbindung:Segmentverbindung:

CFRP cylindrical segment

assembly groove metallicH- ring

O-Ring sealing groove

Clevis-Tang CFRP cylindrical

segment

Bolzendurchmesser: 32 mmt max = 42 mm

Fall-Back Lösung


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BoostergehBoostergehääuse CPN use CPN –– Segmentverbindung:Segmentverbindung:

Favorisierte Lösung

inner metallic ring

CFRP

outer metallic ring

inner insulation


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BoostergehBoostergehääuse CPN use CPN –– DAARDAAR--RingRing::

Schaumkern

CFK-Struktur

Fitting

Inserts

A

A

Lokale Aufdickung

Lokale Aufdickung

A

A

A

A

Lokale Aufdickung

Lokale Aufdickung

Bolzen


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BoostergehBoostergehääuse CPN use CPN –– DemonstratorenDemonstratoren::

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ca. 365 kg Harzca. 790 kg Faserca. 58 % Fas.-Vol.-Geh.


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GegenwGegenwäärtige Aktivitrtige Aktivitääten ften füür r FrontFront--SkirtSkirt::

• Bau eines Demonstrators für den Krafteinleitungsbereich zur

Entwicklung und Demonstration von Fertigungstechnologien

• Untersuchung der lokalen Einleitung der Boosterkräfte in die

CFK – Struktur

• Untersuchung der Verbindung zwischen Front Skirt und darunter

liegendem Sauerstoff-Tank (LOX) unter cryogenen Bedingungen

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Krafteinleitung BLIS fKrafteinleitung BLIS füür r FrontFront--SkirtSkirt::

Lokale Last von 4000 kN muss in die Struktur eingeleitet werden.

Konzept:

BLIS

• Monolithische CFK- Zylinderschale

• Monolithische CFK- Krafteinleitungsrippen

• Monolithische, geschlossene CFK- Ring-

spant-Segmente

• Aluminium DAAV Interface Platte

• Aluminium Krafteinleitungsschuh


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GegenwGegenwäärtige Aktivitrtige Aktivitääten:ten:

• Material-Screening-Programm:

• Auswahl von Faser, Matrix

• vorkonfektionierte, textile Produkte

• Lochleibung

• Definition von Probekörpern unter Berücksichtigung

Segmentverbindung

• Testen, Auswerten

• Kraftverzweigungen

• Erarbeitung der kritischen Punkte

• Definition Probenprogramm, Testen, AuswertenAktuell


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AusblickAusblick

Ausblick:Ausblick:

Faserverbundwerkstoffe werden bei zukünftigen Raumfahrtprojekten eine

größere Rolle als Werkstoff für Primärstrukturen spielen als bisher.

Das zeigt sich u. a. an den Themen der gegenwärtigen Programme, z.B.

FLPP.

Beispiel: EVEREST-Studie der CNES

Die kryogen Tanks der ersten und zweiten (wiederver-

wendbaren) Stufen sind in CFK-Bauweise angedacht.

Tanks der ersten Stufe haben einen Durchmesser

von ca. 7 m.

Die Entwicklungsprogramme von MAN Technologie AG

sind so ausgerichtet, dass sie Basis für zukünftige

Entwicklungsaufgaben sind.


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