Experimentelle Untersuchungen zum Versagen von Raumfahrtstrukturen beim atmosphärischen Wiedereintritt

Abstract

In der vorliegenden Dissertation wird der Einfluss mechanischer Lasten auf den destruktiven Wiedereintritt großer Raumfahrtstrukturen experimentell analysiert. Dabei wird der Einfluss mechanischer Lasten insbesondere auf die Break-Up Höhe untersucht, da diese für weitere Fragmentierungsprozesse und Verglühen von entscheidender Bedeutung ist. Dazu wird ein neuer mechanischer Aufbau beschrieben, der mechanische Lasten in Bodentests aufbringen kann. Der Aufbau basiert auf einem elektromechanischen Lastzylinder, der in den Plasmawindkanal PWK4 integriert wurde. Dieses neuartige Konzept weist eine Probenform auf, für die eine erweiterte Umrechnungsmöglichkeit von Flugsituationen in Bodensimulationen erforderlich ist. Dazu wird die bekannte LHTS Ähnlichkeit um eine axialsymmetrisch planare Transformation erweitert. Diese Methode wird durch Wärmestromdichtemessungen im Plasmawindkanal validiert. Die mechanischen Lasten auf die Modulverbindungselemente der Internationalen Raumstation werden durch Freiflugexperimente im Stoßwindkanal TUSQ der University of Southern Queensland untersucht. Die ermittelten Lasten werden zum Flugfall skaliert und entlang einer typischen Wiedereintrittstrajektorie extrapoliert. Als Versuchsbedingung werden drei Trajektorienpunkte in 90 km, 75 km und 65 km Höhe entlang einer typischen Wiedereintrittstrajektorie aus dem niedrigen Erdorbit untersucht. Diese entsprechen der frühen Eintrittsphase, der Höhe des typischen Break-Up und der Höhe der maximalen Wärmelast. Dabei werden sowohl die Plasmabedingung als auch die mechanische Last auf diese Trajektorienpunkte angepasst. Vier typische, metallische Strukturmaterialien werden untersucht; zwei verschiedene Aluminiumlegierungen, eine Edelstahllegierung sowie eine Titanlegierung. Um das Materialverhalten vergleichen zu können, werden die Proben sowohl unbelastet als auch belastet getestet. Die Materialversuche weisen deutliche Unterschiede sowohl zwischen den unterschiedlichen Materialien als auch zwischen den Versuchsbedingungen auf. Die Hochtemperaturmaterialien Edelstahl und Titan versagen nie unter den nominellen Bedingungen; eine Lasterhöhung führt zur Einschnürung und schlussendlich zum Versagen der Materialien. Bei den Aluminiumlegierungen können je nach Bedingung und Last drei unterschiedliche Versagensarten beobachtet werden, Einschnüren mit Bruch, Sprödbruch, und Schmelzen. Die mechanischen, thermischen und spektroskopischen Analysen der Proben zeigen Eigenschaften wie Deformation, Oxidation und spektrale Emission. Eine Analyse des Oxidationsverhaltens, gekoppelt mit der spektralen und visuellen Analyse zeigt, dass das atypische Verhalten der gemessenen Oberflächentemperatur, einer Veränderung des Emissionsgrads infolge von chemischen Reaktionen zugeordnet werden kann. Spektrale Merkmale werden mit den Daten aus Beobachtungsmissionen verglichen. Dabei zeigt sich, dass bisherige Korrelationen zu spektralen Ereignissen und dem Zerfall einzelner Komponenten nicht gültig sind. Der Nachweis von Alkalimetallen ist dabei, nicht auf Komponenten zurückzuführen, sondern als Spurenelement in allen Strukturelementen vorhanden. Vor allem in Edelstahl und Titan sind die spektralen Signaturen eher durch Änderungen des Oxidationsverhaltens erklärbar als durch strukturelles Versagen. Ein Modell auf Basis der Meteorforschung wird genutzt, um den Massenverlust eines beobachteten Wiedereintritts abzuschätzen. Die Materialparameter werden dafür experimentell ermittelt. Die daraus errechnete Gesamtmasse weicht dabei maximal 20 % von der Gesamtmasse des Raumtransporters Cygnus beim Wiedereintritt ab. Diese Arbeit zeigt, dass mechanische Lasten beim destruktiven Wiedereintritt eine signifikante Rolle spielen. Versuche in Bodentestanlagen unter kombinierten Lasten stellen für eine experimentelle Untersuchung eine geeignete Methode zur Evaluation des Materialverhaltens dar.