Raketenhülle als Sandwichstruktur mit bionisch-wölbstrukturiertem Kern

Technische Problemstellung

Raketenhüllen unterliegen extremen mechanischen, thermischen und dynamischen Belastungen. Konventionelle Sandwich- oder Monocoque-Strukturen stoßen an Grenzen hinsichtlich Spannungsverteilung, Stoßfestigkeit und Temperaturkompensation. Die Integration einer bionisch-wölbstrukturierten Kernstruktur adressiert folgende Anforderungen:

• Hohe Biegesteifigkeit bei minimalem Gewicht
• Gleichmäßige Spannungsverteilung unter axialer oder radialer Last
• Hohe Schwingungsdämpfung durch nichtlineares Strukturverhalten
• Sehr gute Impactabsorption bei Meteoriteneinschlägen oder Sekundärfragmenten
• Kompensation temperaturinduzierter Ausdehnungen infolge anisotroper Materialreaktion

Hitzeschutzbleche müssen hohe Temperaturen und dynamische Lasten aushalten, ohne ihre Strukturintegrität zu verlieren. Konventionelle Bleche weisen dabei eine geringe Energieabsorptionskapazität auf und sind anfällig für lokale Spannungsspitzen, die zu Versagen führen können. Ziel ist eine Struktur mit:

• Gleichmäßiger Spannungsverteilung trotz hoher Temperaturbeanspruchung

Die Hauptanforderung besteht darin, eine lasttragende Struktur mit optimalem Verhältnis zwischen Masse, Steifigkeit, Thermoresistenz und Energieaufnahme zu schaffen. Dabei sind klassische Honeycomb-Sandwichsysteme durch ihre punktuelle Schwächung bei Schlagbeanspruchung und Delaminationsrisiken limitiert. Ziel ist ein durchgängig formstabiler und hochintegrierter Aufbau mit verbesserten Langzeitkennwerten.

Lösung

Die Lösung liegt im Einsatz eines gewölbten Blechkerns (z. B. DeepHEX-Struktur) nach dem Prinzip der bionischen Selbststrukturierung. Dieser wird zwischen zwei glatten Decklagen aus CFK oder Aluminium integriert. Die Vorteile sind unter anderem:

• Biegesteifigkeit bis zu 7-fach gegenüber konventionellem Sandwich
• Hohe isotrope Steifigkeit trotz dünnwandiger Ausführung
• Stoßlastaufnahme durch kontrollierte lokale Deformation
• Minimale Spannungsspitzen durch breite Lastverteilung
• Reduzierung der thermisch induzierten Spannungen durch die Wölbform

Diese Sandwichstruktur lässt sich im Raketenzwischenstufen- oder Nutzlastverkleidungsbereich ebenso einsetzen wie als tragendes Segment in zukünftigen Leichtbau-Oberstufen.

Herausforderung

Ein effektives Design erfordert eine Balance zwischen Festigkeit, Formstabilität und Gewicht. Konventionelle Fertigungsmethoden sind meist material- und energieintensiv. Insbesondere bei Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbereich sowie in anderen Fahrzeugbaubereichen ist eine Reduktion der Strukturmasse bei gleichzeitig erhöhter Funktionsintegration essenziell.

Ergebnis

Die Lösung liegt in der Anwendung der Wölbstrukturierung nach dem bionischen Prinzip. Dieser selbstorganisierende Umformprozess erzeugt strukturierte Blechhalbzeuge mit folgenden Eigenschaften:

• 7-fache Biegesteifigkeit gegenüber glattem Blech (3-Punkt-Biegeversuch)
• Isotrope Steifigkeit in zwei Richtungen
• Hohe Energieabsorption bei Stoßbelastung (DeepHEX-Struktur)
• Minimale lokale Verfestigung → gute Umformreserven