Entwicklung der CFK Drucktanks für eine Suborbitalrakete

Abstract

Diese Arbeit dient zur Schaffung der Grundlagen zum Bau eines CFK Treibstofftanks für eine flüssiggetriebene Suborbitalrakete, welche eine Höhe von 100km erreichen soll. Die Erstellung erfolgt in Zusammenarbeit mit dem TU Wien Spaceteam. Zu Beginn wird das zugehörige Projekt vorgestellt und erörtert. Anschließend werden die erforderlichen Grundlagen, auf welchen diese Arbeit aufbaut, behandelt. Hierbei wird ein besonderer Schwerpunkt auf die sicherheitsrelevanten Aspekte gelegt. Die im Preliminary Design Review (PDR) erarbeitete systematische Konzeptfestlegung und die Entwicklungsphilosophie werden aus dem PDR übernommen. Des Weiteren werden die für die Tankentwicklung relevanten Vorgaben und Anforderungen aus dem PDR auszugsweise angeführt und erläutert. Verwendete Programme und Maschinen werden aufgelistet und kurz beschrieben. Der erste Teil der eigentlichen Arbeit beschäftigt sich mit der Tankauslegung. Hierbei wird eine numerische Berechnungsmethode erarbeitet und vorgestellt, mit welcher ein Typ 4 oder Typ 5 CFK Tank inklusive Festlegung der isotensoiden Polform dimensioniert werden kann. Anschließend wird ein mögliches Tankkonzept vorgestellt. Hierbei wird der grundlegende Aufbau behandelt, welcher bereits im projektbezogenen PDR dokumentiert wurde. Im Abschnitt Methode zur Fertigung wird der größte Teil dieser Arbeit beschrieben, in welchem es um die Ausarbeitung einer Fertigungsmethode zur Herstellung von CFK-Wickeltanks geht. Bei dieser Fertigungsmethode liegt, neben den generellen projektbezogenen Anforderungen, das Hauptaugenmerk auf den Möglichkeiten des TU Wien Spaceteam. Deshalb wird eine Methode erarbeitet, bei welcher mittels FDM (Kunststoff 3D-Druck) die Bauteile einer Wickelform gefertigt werden können. Eine vorläufige Tauglichkeit dieser Methode wird durch einfache Experimente, inklusive Drucktest eines so erstellten CFK-Tanks, bestätigt. In dieser Arbeit werden sowohl die Auslegung, als auch mögliche Fertigungsmethoden behandelt, wobei die schlussendliche Fertigung von unterstützenden Herstellern und Sponsoren abhängig ist. Abschließend werden weiterführende Schritte, Konzepte und Ideen angeführt, die aufgrund des Umfangs in dieser Arbeit nicht genauer behandelt werden.

This thesis serves to lay the foundations for building a CFK fuel tank for a liquid propellant suborbital rocket that can reach 100km in height. It is created in cooperation with TU Wien Spaceteam. First of all the project is presented and underlying principles are discussed, focusing on safety aspects. Systematic concept determination and development philosophy are taken from the project‘s PDR. Selected requirements and specifications for the tank‘s development are elucidated. Therefore excerpts from the PDR are quoted. Programs and tools in use are listed and briefly described. First part of the thesis addresses the tank design. A numeric calculation method to dimension a type 4 or 5 CFK tank, including determining the isotensoid dome shape, is acquired and introduced. Subsequently a tank concept relating to the TU Wien Spaceteam project, as stated in the PDR, is presented emphasizing on general construction. Major part of the thesis is the paragraph on manufacturing method. Besides general requirements of developing a manufacturing method of winded CFK tanks, the main focus is on capabilities and resources of TU Wien Spaceteam. That is why a production method with FDM (plastic 3D-printing) is established. For the winding of the rocket fuel tanks from CFK, a reusable mandrel is developed which can be made using a FDM 3D printer. The suitability of this production method is approved by simple experiments including a pressure test. The thesis compiles tank design and manufacturing methods, but future decisions are dependent on the support of manufacturing companies and sponsors. Conclusively, further steps, ideas and prospects are cited that cannot accurately be further discussed within this thesis.