COPRAS – Composite Parts for Rocket Applications with Integrated Sensors
Entwicklung, Fertigung, Qualifizierung und Flugerprobung eines thermoplastischen CFK-Raketenmoduls mit integrierten faseroptischen Temperatursensoren.
Projektpartner
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Zentrum für Angewandte Raumfahrtforschung und Mikrogravitation (ZARM), European Space Agency (ESA), Swedish National Space Agency (SNSA)
Laufzeit
01.03.2016 – 31.12.2019
Fördergeber
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Motivation
Strukturelle Teile von Raketen sind erheblichen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Forschungsraketen, wie sie im REXUS-Programm eingesetzt werden, bestehen aus mehreren identischen Strukturmodulen, welche die wissenschaftliche Nutzlast tragen. Das Design eines Moduls beinhaltet eine zylindrische Außenhülle und monolithische Lasteinleitungsringe mit einem Interface zur Montage benachbarter Module. Bislang bestehen alle REXUS-Module aus Aluminium. Die Reduzierung des Strukturgewichts ermöglicht höhere Nutzlasten, größere Flughöhen oder einen geringeren Kraftstoffverbrauch. Um dieses Ziel zu erreichen, sollte ein neues Fertigungskonzept zur Herstellung eines leichten Verbundmoduls entwickelt und umgesetzt werden. Darüber hinaus sollte die Integration faseroptischer Sensoren in das Konzept integriert werden, um störungsfreie Bauteilüberwachung im Betrieb zu ermöglichen.
Vorgehen
Im Rahmen des Projekts COPRAS wurde ein Fertigungskonzept für ein thermoplastisches CFK-Modul mit integrierten faseroptischen Sensoren (FOS) entwickelt und umgesetzt. Das Konzept umfasst zwei getrennte Fertigungsschritte für die Lasteinleitungsringe und die zylindrische Hülle. Die Ringe wurden durch Formpressen von Langfaserverstärktem Thermoplast (LFT) hergestellt, die Schalenstruktur mit Hilfe des Thermoplastic Automated Fiber Placement (TP-AFP) Prozesses. TP-AFP ermöglicht eine in situ Konsolidierung des zylindrischen Laminats auf den zuvor hergestellten Ringen ohne zusätzlichen Klebstoff oder Verbindungselemente. Polyetheretheretherketon (PEEK) wurde aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften unter thermischer Belastung und seiner Kompatibilität mit den gewählten Prozessen als Matrixmaterial gewählt. Eine Finite-Elemente-(FE-)Strukturanalyse des Moduls basierend auf gegebenen Lastfällen definierte die geometrischen Abmessungen von Hülle, Ringen und der erforderlichen Fügefläche. Der Lagenaufbau wurde optimiert, um die geforderte Modulsteifigkeit zu erreichen. Eine Charakterisierung der LFT- und TP-AFP-Materialien auf Coupon-Level bei Raumtemperatur und maximal erwarteter Einsatztemperatur wurde durchgeführt, um Eingangsparameter für die Strukturanalyse zu erhalten. Mit Subkomponententests wurde die in situ Verbindung zwischen Mantel- und Ringmaterial sowie die Tragkraft der Gewinde-Inserts bestimmt. An einer Test-Hardware wurden auf Komponentenebene dynamische Belastungstests sowie statische Biegeversuche durchgeführt. Gekapselte Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensoren wurden bei der Herstellung in das TP-AFP-Laminat integriert. Dies ermöglicht Temperaturmessungen zwischen den Lagen während des Fluges. Die experimentelle Nutzlast des Moduls besteht aus einem faseroptischen Messgerät zum Betreiben der FBGs, elektrischen Referenzsensoren, einem Computer zur Datenspeicherung und -übertragung sowie einem Powerboard zur Spannungsversorgung. Das entwickelte Modul ist über 40% leichter als vergleichbare Aluminiummodule. Am 4. März 2019 wurde es als strukturelles Bauteil der Rakete REXUS 23 auf eine Höhe von 75,42 km gestartet. Neben Höhenforschungsraketen hat das Konzept der in situ Konsolidierung von TP-AFP-Tapes auf komplexe monolithische LFT-Strukturen viele Anwendungsmöglichkeiten in der Luft- und Raumfahrt, aber auch darüber hinaus und wird daher am LCC weiter untersucht.
Publikationsliste
Zeitschriftenaufsätze
Engelhardt, R.; Ehard, S.; Wolf, T.; Oelhafen, J.; Kollmannsberger, A.; Drechsler, K.: In Situ Joining of Unidirectional Tapes on Long Fiber Reinforced Thermoplastic Structures by Thermoplastic Automated Fiber Placement for Scientific Sounding Rocket Applications. Procedia CIRP, 85:189-194, 2019, https://doi.org/10.1016/j.procir.2019.09.015
Konferenzbeiträge
Engelhardt, R.; Ehard, S.; Oelhafen, J.; Kollmannsberger, A.; Amann, R.; Günzel, P.; Drechsler, K.: Development of a Lightweight Carbon Composite Rocket Module with Integrated Fiber Optical Temperature Sensors as Part of the Experiment "TESOS" on REXUS 23. 24th ESA Symposium on European Rocket & Balloon Programmes and Related Research, 24:271-275, Essen, Germany, 16-20 June 2019, https://www.tib.eu/en/search/id/TIBKAT%3A1687597367/24th-ESA-Symposium-on-European-Rocket-and-Balloon/
Engelhardt, R.; Oelhafen, J.; Ehard, S.; Kollmannsberger, A.; Drechsler, K.: Manufacturing of a Thermoplastic CFRP Rocket Module with Integrated Fiber Optical Temperature Sensors, The 29th Annual International SICOMP Conference on Manufacturing and Design of Composites, Lulea, Sweden, 2018.
Poster
Engelhardt, R.; Oelhafen, J.; Ehard, S.; Kollmannsberger, A.; Drechsler, K.: Manufacturing, Testing and Flight of a Carbon Fiber Reinforced Plastic Rocket Module with Integrated Fiber Optical Temperature Sensors. 2nd Symposium on Space Educational Activities, Budapest, Hungary, 2018.
Andere
Sloan, T.: Rocket module manufactured with in-situ consolidation survives first flight test. Composites World, 10/2019, pp. 32-34, https://www.compositesworld.com/blog/post/rocket-module-manufactured-with-in-situ-consolidation-survives-first-flight-test
Mason, K.: A giant leap in rocket weight savings. Composites World, 01/2019, pp. 44-47, https://www.compositesworld.com/blog/post/a-giant-leap-in-rocket-weight-savings
Danksagung
Der Lehrstuhl für Carbon Composites dankt dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) für die Förderung des Projekts COPRAS und der zugehörigen Projekts TESOS und COPRAS II. Außerdem danken wir der Mobilen Raketenbasis (MORABA) des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), dem Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) und der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA) für die Unterstützung. An der Technischen Universität München wurde die Arbeit durchgeführt und unterstützt von Rupert Amann, Luciano Avila Gray, Nicolas Benes, Michael Bösl, Teddy Brault, David Colin, Duc Thien Dinh, Raphael Eckfeld, Stefan Ehard, Ralf Engelhardt, Adrian Garcia, Thomas Grübler, Patrick Günzel, Klaus Heller, Julian Hörmann, Xinrui Ji, Andreas Kollmannsberger, Gerrit Illenberger, Jonathan Oelhafen, Marina Plöckl, Veronika Radlmeier, Maximilian Ronecker, Robert Setter, Maximilian Stadler, Robin Taubert, Jakob Weiland und Tobias Wolf (in alphabetischer Reihenfolge). Danke für die gute Arbeit – per aspera ad astra!
Ansprechpartner
Dr.-Ing. Swen Zaremba
