Billige und leichte Trägerraketen
Die NASA-Richtlinien SP-8007 für die Gestaltung von mängelempfindlichen Strukturen wurden in den späten 1960er Jahren entwickelt und berücksichtigen keine neuen spannenden Entwicklungen im Bereich leichter Verbundwerkstoffe. Die heutige Raumfahrtindustrie erfordert Trägerraketen zu niedrigeren Kosten, um die ständig steigenden Anforderungen hinsichtlich der Nutzlast zu erfüllen. In den vergangenen Jahren wurden verschiedene Ansätze gewählt, um die maximale Belastung für Raketenstrukturen vorherzusagen. Durch die Verwendung von nicht-linearen Finite-Elemente-Modellen erreichten die Ingenieure eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Doch der Rechenaufwand der in der Vorentwurfsphase durchgeführten Simulationen ist zu hoch, wenn schnellere und präzisere Werkzeuge benötigt werden. Im Projekt DESICOS (New robust design guideline for imperfection sensitive composite launcher structures) entwickelten die Forscher eine deterministische Methode weiter. Der sogenannte Einzel-Störungslast-Ansatz (SPLA) verwendet das radiale Profil einer Last als Hinweis auf die Empfindlichkeit einer Struktur gegenüber Fehlstellen. Trotz der Vorteile dieser Methode wird immer noch ein geeigneter Rechenaufwand für die Berechnung des Knock-down-Faktors benötigt. Bei der Konstruktion von Verbundstrukturen wird der Knock-down-Faktor verwendet, um die Tatsache zu berücksichtigen, dass Fehlstellen die Belastung, die diese aushalten können, auf einen kleinen Bruchteil der Belastung reduzieren, bei der eine perfekte Struktur Probleme hat. Das DESICOS-Team untersuchte daher Wege, um SPLA mit semi-analytischen Ansätzen zu kombinieren. Im Hinblick auf die Anwendung der neuen kombinierten Methodik in der Vorplanung von Raketenstrukturen wurde sie an umfangreichen Teststrukturen aus Verbundwerkstoffen validiert. Ein axial belasteter unversteifter Zylinder - gestört durch eine ausreichend große Einzellaststörung - führte zu einer 45% höheren Knicklast als in der Ausführung nach den bestehenden Richtlinien. Wichtig ist, dass das Potential der neuen Methode zur Reduzierung von Entwicklungszeiten und Fertigungskosten bei gleichzeitiger Erhöhung der Nutzlast im Rahmen von ausgewählten Fallstudien unter Beweis gestellt wurde. Die Ergebnisse von DESICOS wurden in mehr als 30 Peer-Review-Artikeln veröffentlicht und sind in einem Handbuch für die Konstruktion von Trägerraketenstrukturen aus Verbundmaterial zusammengefasst.
Schlüsselbegriffe
Trägerraketen, mängelempfindlich, NASA, Verbundwerkstoffe, DESICOS, einzelne Störungslast