Rückkehrtechnologie – heiße Strukturen und Thermalschutzsysteme
ESA
Robuste und schadenstolerante Konzepte für TPS und heiße Strukturen, die kostengünstig gefertigt, montiert und gewartet werden können, sind die Triebfeder der Entwicklung. Die Eigenschaften von C/C-SiC Faserkeramik unter eintrittsrelevanten Bedingungen wurden in einer Vielzahl von Plasmawindkanaltests in verschiedenen Anlagen und Flugexperimenten detailliert untersucht. In Verbindung mit zusätzlichen Oxidationsschutzschichten, z.B. aus SiC oder Yttriumsilikat, wurden die Oberflächen-Plasmawechselwirkungen und die passiv-aktiv Oxidationsproblematik bei SiC eingehend experimentell und theoretisch untersucht. In Verbindung mit Erfahrungen und Daten aus verschiedenen Flugversuchen besteht hier ein umfassendes Verständnis der teilweise sehr komplexen Zusammenhänge.
Durch eine Vielzahl von Projekten und systematische Entwicklungsarbeit konnte bei den Strukturkonzepten ein hoher Technologiestand und Kompetenz erreicht werden. So wurde schon bei der EXPRESS Mission 1995 ein komplettes Strukturbauteil inklusive keramischer Krafteinleitungen und Hochtemperaturisolierung einem realen Wiedereintritt bei extremsten Wärmelasten unterzogen. Innerhalb des europäischen FESTIP Programms wurde Ende der 90er Jahre ein flächiges, vollkeramisches TPS-System inklusive keramischer Dichtungen und Befestigungselemente, die eine ähnliche Funktionalität wie Blindniete aufweisen, entwickelt und getestet. Solche Montageelemente stellen eine Schlüsseltechnologie dar und erlauben in bisher einmaliger Weise die einfache Befestigung von Paneelen eines Thermalschutzsystems von der heißen Außenseite her.
Der Erfolg der systematischen Entwicklungsarbeiten im Bereich der Wiedereintrittstechnologie zeigt sich am besten bei der Realisierung der Nasenkappe für die X-38 von NASA. Besondere Herausforderungen waren hier die Entwicklung eines die Wärmeausdehnung kompensierenden Krafteinleitungssystems, Design eines Dichtungssystems am Übergang der Nasenkappe zum sich anschließenden TPS sowie die Integration von keramischen Druckaufnehmern in der Nasenschale. Das Nasenkappensystem konnte voll flugqualifiziert im Januar 2001 an NASA ausgeliefert und im Oktober 2001 an das Fahrzeug montiert werden.
Ziel ist bei all diesen Entwicklungen ein möglichst robustes und schadenstolerantes Gesamtsystem, das auch unter operationellen und wirtschaftlichen Betrachtungen Bestand hat. Konsequenterweise führt dieser Ansatz zu grundlegenden Betrachtungen der Form zukünftiger Raumfahrzeuge. Die Auflösung der bisherigen gewölbten Formen in großflächige, ebene Bereiche ermöglicht eine signifikante Einsparung bei den Herstellungs- und Betriebskosten eines wiederverwendbaren TPS und führte letztendlich zur Konzeption des hypersonischen Flugexperimentes SHEFEX-I, das 2005 erfolgreich geflogen werden konnte. Design und Technologien eines fortschrittlichen keramischen TPS konnten ebenfalls sehr erfolgreich mit einem Flugexperiment auf einer russischen FOTON-Kapsel bei der Mission M2 in 2005 validiert und damit in diesem Bereich ein „technology readiness level (TRL)“ von 7 erreicht werden. Bei heißen Primärstrukturen, wie z.B. den Nasenkappen für X-38 und derzeit für die europäische, ballistische Wiedereintrittskapsel EXPERT, wurden und werden insbesondere keramische, heiße Krafteinleitungssysteme entwickelt, erprobt und qualifiziert. Ein weiteres wichtiges und funktionskritisches Subsystem stellen heiße Dichtungssysteme im Übergangsbereich zwischen einzelnen Struktursegmenten dar, das ihre Qualifikation im Flugversuch besonders wichtig macht.
Bei TPS-Systemen und heißen Primärstrukturen besteht damit eine hohe Systemkompetenz mit umfassendem Know-how bei wichtigen Schlüsseltechnologien.