Grundlagen der Verschleißmechanismen und Verschleißmodellierung für instationäre Drehprozesse

Abstract

Das Vorhaben "Experimentelle Wiedereintrittsanalyse des CubeSat SOURCE" lieferte umfassende Erkenntnisse zum Zerfallsverhalten von CubeSats beim unkontrollierten Wiedereintritt. Neben numerischen Simulationen des Wiedereintritts wurden Zerfallsmechanismen verschiedener Komponenten im Plasmawindkanal (PWK) untersucht. Zudem wurde die Wiedereintritts-Sensorik des SOURCE CubeSats in relevanter Plasmaumgebung im PWK qualifiziert. Im Rahmen des Vorhabens wurde eine effektive Methodik zur Untersuchung des Zerfallsverhaltens von Satellitenkomponenten entwickelt. Diese stützt sich auf die numerische Simulation des Wiedereintritts, in welcher kritische Bauteile und für deren Zerfall relevante Trajektorienpunkte bestimmt werden. Die Simulationen wurden in Zusammenarbeit mit der Hyperschall Technologie Göttingen GmbH und deren Simulationstool SCARAB erstellt. Die Staupunktbedingungen der identifizierten Trajektorienpunkte wurden dann in der PWK1 Anlage des Instituts für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart nachgebildet, um den Zerfall von Original-Satellitenkomponenten zu untersuchen. Dabei wurden eine S-Band Antenne, ein Stabmagnetorquer, eine Kamera, eine Li-Ionen Batterie, elektrische Leiterplatten, eine Kohlefaserverbundstruktur sowie eine Titan-Gewindestange getestet. Das Zerfallsverhalten wurde mit verschiedenen Temperaturmesstechniken, einer Videokamera und einem Spektrometer dokumentiert. Aufgrund der hohen Schmelztemperatur von Titan, ist ein Überleben des Wiedereintritts dieser Teile möglich, jedoch ist die Gefahr am Boden infolge der geringen Masse der Teile gering. Der Vergleich mit den Simulationsergebnissen zeigte allgemein gute Übereinstimmung. Allerdings zerfallen Faserverbundmaterialien wie in Leiterplatten oder Kohlefaserstrukturen langsamer als simuliert. Die Messergebnisse können genutzt werden, um Materialparameter zu kalibrieren und Modelle anzupassen. Für die Qualifizierung der Wiedereintritts-Sensorik des SOURCE CubeSats wurde ein Mockup des Satelliten in Originalgröße mit integrierter Datenerfassung im PWK getestet. Dabei konnte die gesamte Messkette überprüft werden, wodurch die Robustheit des Systems in Plasmaumgebung nachgewiesen wurde. Dies erhöht die Sicherheit, während des tatsächlichen Wiedereintritts qualitativ hochwertige Messwerte zu erfassen. Es wird angestrebt, die entwickelte Methodik in einem Folgeprojekt (SKALE) in Zusammenarbeit mit HTG weiterzuentwickeln.