Startlasten in der Raumfahrt – Analyse und Empfehlungen zur Optimierung der Konstruktion

 

“Die systematische Analyse der Auswirkungen von Start Belastungen ist ein wesentlicher Bestandteil des Prozesses zur Auswahl der besten Lager Lösung für eine bestimmte Anwendung.”

Dr.-Ing. Rahul Dahiwal

Der Weltraum besteht aus allem, vom Urknall und der Entstehung des Universums über die Galaxien und Planeten bis hin zu Objekten von etwa 10 cm³, die wir Satelliten nennen. Satelliten sind für bestimmte Aufgaben wie Erdbeobachtung, Kommunikation, Navigation und natürlich für die Unterstützung des menschlichen Lebens konzipiert. Sie werden normalerweise in einer niedrigen Erdumlaufbahn eingesetzt, um eine Datenübertragung in Echtzeit zu ermöglichen. Den Berichten von Bryce Tech zufolge wurden allein im Jahr 2020 rund 40 % der Kleinsatelliten gestartet, und es wird prognostiziert, dass in den nächsten zehn Jahren rund 1400 Kleinsatelliten pro Jahr gestartet werden. Es ist also ersichtlich, dass das Geschäftspotenzial erheblich ist.

Diese steigende Zahl von Satelliten bedeutet eine ebenso große Zunahme der Anzahl von Subsystemen an Bord. Zum Beispiel LIDAR-Sensoren für die Lagebestimmung, Reaktionsräder und Kreisel für die Positionierung und Betätigungsmechanismen für Solarpaneele. In jeder dieser Anwendungen werden Hochpräzisionskugellager von GRW eingesetzt, um die gewünschte Betriebsgenauigkeit zu erreichen. Diese Lager müssen sorgfältig konstruiert werden, um häufige Ausfallmechanismen zu vermeiden. Ein wichtiger, aber oft übersehener Bereich ist die Fähigkeit des Lagers, den erheblichen Stoßbelastungen beim Start und manchmal auch beim Wiedereintritt standzuhalten. Wenn diese Belastungen bei der Auslegung des Systems übersehen oder unterschätzt werden, kann dies zu katastrophalen Ergebnissen führen. Ein solcher Lagerausfall kann zum Ausfall des gesamten Systems führen.

Dieser Artikel beschreibt einige der positiven und negativen Erfahrungen, die GRW im Laufe der Jahre bei der Konstruktion von Raumfahrtanwendungen gemacht hat. Eine standardisierte Strategie zum Verständnis der Vorgänge beim Auftreten von Stoßbelastungen und deren systematische Untersuchung wird hier vorgestellt. Abschließend bietet der Artikel allgemeine Richtlinien und Empfehlungen, die der Raumfahrtgemeinschaft helfen können, frühzeitige Konstruktionsfehler zu vermeiden, ihre Lösungen zu optimieren und die Auswahl des richtigen Lagers für die Anwendung zu unterstützen.

Das Verständnis der Problematik

Zur Klärung der folgenden Fragen hilft, die Ziele zu definieren:

• Können die beim Start auftretenden kurzzeitigen Stoßbelastungen so aufgenommen werden, dass sie den normalen Betrieb des Lagers im normalen Arbeitszyklus nicht beeinträchtigen?
• Ist das Ausmaß der Schäden, die unter diesen Stoßbelastungen an der Lagerlaufbahn und den Stegen aufgrund der Bewegung der Kugel zur Laufbahnkante, dem so genannten Abschneiden, auftreten könnten, als akzeptabel anzusehen (siehe Abbildung 1)?
• Müssen wir für die Anwendung ein größeres Lager verwenden?

Deshalb habe ich versucht, eine überzeugende Erklärung für die genannten Probleme zu finden.

Methoden und Technik für die Auslegung und Auswahl von Lagern

GRW verfügt über das Know-how und setzt verschiedene Simulations- und Versuchsmethoden ein, um die Lager sowohl quasistatisch als auch dynamisch zu untersuchen. Dies hilft dem Konstrukteur, das Betriebsszenario in seinem Konstruktionsprozess kritisch zu betrachten und entsprechend die für die Anwendung geeigneten Lager auszuwählen. Wie gehen wir also vor? Die Strategie ist standardisiert und lässt sich anhand des folgenden Prozessdiagramms leicht selbst erklären (siehe Abbildung 2).

Das Mesys-Lagerberechnungsprogramm hilft bei der Bestimmung der Gesamtlastverteilung im Lager (Abbildung 3 a) & b)) und führt auf dieser Grundlage die Lagerlebensdauerberechnung nach ISO 281 durch. Gleichzeitig schätzt das Programm auch die Einflüsse von Lager- und Wellentoleranzen und Temperaturen auf das resultierende Betriebsspiel in der Einbausituation.

Ausgehend von der Belastungssituation können die resultierenden Kontaktwinkel und die Druckverteilung (siehe Abbildung 3 b) bestimmt werden. So kann festgestellt werden, ob es unter den Stoßbelastungen zu einer Abschneidung der Kontaktellipse kommt oder nicht. Denn dies ist eine kritische Situation, die man vermeiden sollte. Die maximale resultierende Wälzkörperlast wird extrahiert und als Input für die FE-Kontaktsimulation verwendet.

In ähnlicher Weise zeigt Abbildung 4 das vollständige FE-Ansys-Lagermodell, das dann aus Gründen der Berechnungs- und Konvergenzeffizienz auf einen einzelnen Kugel-Laufbahn-Kontakt reduziert wird (Abbildung 4.b). Damit wird das exakte Belastungsszenario nachgebildet und es sollen die detaillierten Kontaktsituationen simuliert werden, um die Kontaktsteifigkeit und -verformung zu bestimmen Auf diese Weise können wir sowohl eine qualitative als auch eine quantitative Aussage darüber treffen, ob die gegebenen Stoßbelastungen zur plastischen Verformung neigen oder nicht.

Auf diese Weise können wir sowohl eine qualitative als auch eine quantitative Aussage darüber treffen, ob die gegebenen Stoßbelastungen zur plastischen Verformung neigen oder nicht.

Zur Überprüfung des Simulationsmodells wurde ein experimenteller Versuch durchgeführt. Zu diesem Zweck wurde eine Testeinheit entwickelt um die Eindringung zu realisieren. (siehe Abbildung 5). Eine einzelne Kugel wird gegen einen Ring gedrückt, um die Verformung zu ermitteln. Der Abdruck wird optisch untersucht, gemessen und ausgewertet (siehe Abbildung 5 d).

Auf die statische Prüfung folgt die dynamische Geräusch- und Schwingungsprüfung, um die Funktionalität und die Leistung zu untersuchen. Es wird sichergestellt, dass im Falle von Stoßbelastungen, die zu einer Kantenspannung führen, diese von der Laufbahn entfernt ist und, dass das Betriebsverhalten des Lagers nicht beeinflusst wird, wenn das Lager unter normalen Betriebsbedingungen betrieben wird.

Durch die Durchführung der kritischen Analyse können wir Empfehlungen aussprechen, z.B. für die richtige Auswahl der Lager auf folgende Weise:

• Konstruktionsänderungen: Wir müssen darüber nachdenken, die Schulterhöhe der Laufbahnkante anzupassen, um das Abschneiden des Kontaktbereichs zu vermeiden, wenn wir das Problem mit dem ausgewählten Lager
• Auswahl des Materials: Falls das gewählte Lager nicht in der Lage ist, die erwartete statische Tragfähigkeit zu gewährleisten, muss man darüber nachdenken, andere fortschrittliche Ring- und Kugelmaterialien in Betracht zu ziehen, die eine höhere statische Tragfähigkeit
• Abmessungen des Lagers: Selbst nach Berücksichtigung der Konstruktions- und Werkstoffänderungen können wir die statische Tragzahl, die den erwarteten Stoßbelastungen standhält, nicht Dann können wir die nächstgrößere Lagergröße in der Serie in Betracht ziehen und die gesamte Analyse wie erwähnt systematisch durchführen,   um sicherzustellen,                dass     die Kundenanforderungen erfüllt werden. Allerdings muss man sich darüber im Klaren sein, dass größere Lager nicht immer die richtige Lösung sind, da man das Verhältnis von Größe zu Gewicht der Anwendungen berücksichtigen muss.

“Diese Richtlinien und Empfehlungen von GRW können dem Konstrukteur sicherlich dabei helfen, die durch Stoßbelastungen entstehenden Faktoren zu berücksichtigen, dementsprechend die geeignete Lösung für die Lagerauswahl für ihre Anwendungen zu finden und mögliche Ausfälle der Systeme zu vermeiden.“

Lösung für die Lagerauswahl für ihre Anwendungen zu finden und mögliche Ausfälle der Systeme zu vermeiden.

GRW Gebr. Reinfurt GmbH & Co. KG

1 Frantz, P.P.; Leveille, A.R.: “An Approach to Predicting the Threshold of Damage to an Angular Contact Bearing During Truncation”, Space and Missile Systems Center Air Force Materiel Command, 2430 E. El Segundo Boulevard, Los Angeles Air Force Base, CA 90245, 2001