Wie Composite-Materialien die Raumfahrt prägten

Am 20. Juli 2019 jährte sich die erste Apollo-Mondlandung zum 50. Mal. Zwar war die Composite-Industrie zum Bau der Apollo-Kapsel noch in den Kinderschuhen und die Materialien noch nicht weit verbreitet, doch die Apollo-Kapsel nutzte frühe Composite-Technologie in Form eines ablativen Hitzeschilds aus Avcoat, einem Epoxid-Novolac-Harz mit Silicafasern in einer Glasfaser-Phenolharz-Wabenmatrix. Eine Glasfaserwabe wurde an die Primärstruktur geklebt und das pastenartige Material in jede Zelle einzeln injiziert. Seit Apollo haben sich fortschrittliche Composites rasant weiterentwickelt und spielen eine bedeutende Rolle in Raumfahrtprogrammen mit Einsatz in Trägerraketen, Space Shuttle, Satelliten, Weltraumteleskopen und der Internationalen Raumstation.

Heute findet sich die Menschheit an der Schwelle zu aufregenden neuen Schritten in der Raumfahrt. Die aktuelle Administration hat eine Rückkehr von US-Astronauten zum Mond bis 2024 gefordert und ein 2021-Budget von über 25 Mrd. $ für das menschliche Raumfahrtprogramm der National Aeronautics and Space Administration (NASA) (Washington, D.C., USA) angekündigt. NASA-Administrator Jim Bridenstine nennt das Budget „eines der stärksten Budgets in der NASA-Geschichte.“

Zusätzlich zu einem weiteren Mondschuss hat NASA aktuelle und bevorstehende Missionen, um unser Sonnensystem von der Sonne bis zu den eisigen Monden der äußersten Planeten und darüber hinaus zu erforschen. Missionen zur Sonnenforschung laufen bereits: zum Zeitpunkt dieses Schreibens überwacht die Parker Solar Probe derzeit die Sonnenatmosphäre und ein Solar Orbiter wurde erfolgreich gestartet. Anstrengungen laufen auch, die Erforschung von Exoplaneten und fernen Galaxien durch die Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS)-Mission und das James Webb Space Telescope voranzutreiben, das über das vergangene Jahr bedeutende Fortschritte in Richtung Startbereitschaft gemacht hat.

Neue Raumfahrzeuge und Programme resultierten in jüngeren Jahren auch aus verstärkter Zusammenarbeit zwischen nationalen und internationalen Raumfahrtbehörden sowie kommerziellen Unternehmen. Zum Beispiel SpaceX (Hawthorne, Calif., USA) mit seinem Crew Dragon Raumfahrzeug und Boeing Space and Launch (Arlington, Va., USA) mit seinem Starliner Raumfahrzeug rennen auf den ersten bemannten US-Raumflug seit Einstellung des Space-Shuttle-Programms im Juli 2011 zu. Die beiden Unternehmen führen Testflüge mit NASA durch in der Hoffnung auf eine bemannte Mission 2021.

Von der verstärkten Unterstützung von NASAs Raumfahrtprogramm bis zum explosiven Wachstum des kommerziellen Weltraums scheint die Menschheit wahrhaftig für das nächste große Weltraumzeitalter bereit. Composites und fortschrittliche Materialien spielen eine zunehmend größere Rolle bei der Herstellung der Trägerraketen, Raumfahrzeuge und Instrumente, die all diese Erforschung möglich machen.

Mond

Das übergreifende Programm zur Rückkehr von Menschen zum Mond ist nach Artemis benannt, der griechischen Göttin des Mondes und der Jagd, der Zwillingsschwester von Apollo – und der Umfang des Programms ist gewaltig. Artemis wird eine Mondorbitbasis etablieren, die Astronauten nicht nur ermöglicht, den Mond weiter zu erforschen, sondern den Mond auch als Außenposten für spätere Missionen zum Mars zu nutzen. Mehrere Projekte bilden das Artemis-Programm, darunter ein neues Schwerlast-Trägersystem namens Space Launch System (SLS), das Orion Crew Vehicle, eine Mondorbit-Raumstation namens Gateway und ein Mondlander. Fortschrittliche Composites spielen in all diesen Komponenten eine Rolle.

Space Launch System (SLS)

NASAs neue Schwerlast-Trägerrakete zielt darauf ab, Erforschung jenseits der Erdbahn zu ermöglichen. 2015 investierte NASA in eine Electroimpact (Mukilteo, Wash., USA) Automated Fiber Placement (AFP) Maschine zur Fertigung großer Raketenteile umfassend Sandwichstrukturen von mehr als 8 m Durchmesser aus Carbonfaser-Deckschichten mit Aluminiumwabenkern. Der AFP-Kopf hält bis zu 16 Spulen Carbonfaser und ist am Ende eines 21-Fuß-Roboterarms positioniert, der die Fasern in präzisen Mustern auf eine Werkzeugoberfläche legt, um Strukturen variierender Formen und Größen zu bilden.

Ähnliche Sandwichstrukturen werden von RUAG Space (Decatur, Ala., USA) mittels manuellem Lagenaufbau erstellt. Das Unternehmen arbeitet mit Dynetics (Huntsville, Ala., USA) an einem Universal Stage Adapter (USA), der die Oberstufe der SLS mit dem Orion Crew-Modul verbinden wird. RUAG Space wird den 8,4-m-Durchmesser-Schalen des Adapters fertigen, umfassend vier Composite-Wabenkern-Viertelpaneele, die heiß miteinander verklebt werden (Mehr erfahren).

Orion Multi-Purpose Crew Vehicle

Bestehend aus einem Kommandomodul, gefertigt von Lockheed Martin (Bethesda, Md., USA), und einem Servicemodul, bereitgestellt von der European Space Agency (ESA) (Paris, Frankreich) und gefertigt von Airbus Defence and Space (Ottobrunn, Deutschland), ist Orion das Herz des Artemis-Programms und wird Astronauten ins All bringen, als Erkundungsfahrzeug während der Raumfahrt dienen und die Crew zur Erde zurückbringen.

Orions Antriebssystem umfasst zahlreiche Komponenten, gefertigt von Aerojet Rocketdyne (Sacramento, Calif., USA), einschließlich acht 110-Pfund-Schub-Bipropellant-Hilfstriebwerke basierend auf Aerojet Rocketdynes R-4D Triebwerksfamilie. Aerojet Rocketdyne liefert auch den Launch Abort System (LAS) Abwurfmotor und Composite-überwickelte Druckbehälter für das Raumfahrzeug. Anfang 2020 installierte Aerojet Rocketdyne eine Carbonfaser-Wickelmaschine zur Produktion seiner Feststoffraketenmotorhüllen (Mehr erfahren).

Für den Wiedereintritt nutzt Orion einen 5-m-Durchmesser Carbonfaser-Hitzeschild, gefertigt von Lockheed Martin, der als Sandwichstruktur mit Carbonfaser-Deckschichten und Titanwabenkern ausgeführt ist. Der Hitzeschild wird dann mit Paneelen aus Avcoat bedeckt – demselben ablativen Material, das für die Apollo-Missionen verwendet wurde (Mehr erfahren).

Vier Kompressionspads aus ablativem Material sind am Hitzeschild mit Titanbolzen an den Punkten befestigt, wo das Kommandomodul an das Servicemodul andockt. Die Kompressionspads müssen strukturellen Lasten während Start und Aufstieg sowie Pyro-Schock (von Sprengbolzen) bei der Trennung der beiden Module widerstehen. Sie müssen auch Wiedeintrittsanforderungen an Hochtemperaturbeständigkeit und Ablation erfüllen. Carbonfaser/Phenolharz-Pads wurden beim ersten Orion-Testflugzeug verwendet, wiesen jedoch nach dem Flug Hinweise auf Interlaminarrisse auf und wurden durch eine 3D-gewebte Lösung namens 3D Multifunctional Ablative TPS (3D-MAT) ersetzt, die ein 3D-gewebtes Quarzmaterial von Bally Ribbon Mills (Bally, Pa., USA) und ein Cyanatester-Harzsystem von Toray Advanced Composites nutzt (Mehr erfahren).

Lunar Orbital Platform-Gateway (LOP-G)

Gateway ist eine Mondorbit-Raumstation, entwickelt von NASA zusammen mit internationalen Partnern einschließlich russischer, kanadischer, japanischer und europäischer Raumfahrtbehörden. Gateways Rolle ist die Unterstützung der Mondforschung und als Außenposten für spätere Missionen zum Mars zu dienen. Die verschiedenen Module für die Station sind in Entwicklung und werden wahrscheinlich auf irgendeine Weise Composite-Materialien einsetzen.

Ein Roll-Out Solar Array (ROSA), entwickelt vom Air Force Research Laboratory (AFRL) (Dayton, Ohio, USA) und Deployable Space Systems unter Verwendung von High-Strain Composites (HSC), wird im Gateway-Programm eingesetzt. HSCs sind dünne, leichte Composite-Materialien, die so konzipiert sind, in kleine Pakete zu passen und sich durch Entfalten zu entfalten. Das ROSA-System nutzt zwei Carbonfaser-HSC-Ausleger, um ein großes Solararray-Tuch auszurollen und zu spannen (Mehr über HSCs erfahren).

Ein weiterer potenzieller Beitrag zu Gateway ist der Canadarm-3. Vorgeschlagen von der Canadian Space Agency (Longueuil, Quebec, Kanada), ist das Gerät ein 8,5-m-Roboterarm aus Carbonfaser-Composites. Frühere Canadarm-Systeme wurden auf dem Space Shuttle und der Internationalen Raumstation (ISS) eingesetzt.

Mondlander

Zahlreiche Unternehmen arbeiten an Mondlandekonzepten für Artemis, alle mit Potenzial für Composite-Materialien. Zum Beispiel partnerschaftet Blue Origin (Kent, Wash., USA) mit Lockheed Martin, Northrop Grumman (Falls Church, Va., USA) und Draper (Cambridge, Mass., USA) an einem vorgeschlagenen Drei-Fahrzeug-Mondlandesystem: Blue Origins Blue Moon Mondlander, ein „Transfer Element“ Fahrzeug von Northrop Grumman, das das Landesystem in Mondorbit positioniert, und ein „Ascent Element“ Fahrzeug von Lockheed Martin, das Astronauten vom Mondoberfläche in den Mondorbit zurückbringt. Ein Abstiegsführungs- und Flugavioniksystem wird von Draper bereitgestellt. Weitere Unternehmen, die an Mondlandekonzepten arbeiten, umfassen Boeing, Dynetics, SpaceX und Sierra Nevada Corp. (Louisville, Colo. und Madison, Wis., USA).

Zusätzlich zu bemannten Mondlandern antizipiert NASA den Bedarf an kleinen und mittelgroßen Mondlandern, um diverse wissenschaftliche Untersuchungen und große Technologiedemonstrationsnutzlasten zu ermöglichen.

Artemis Anzüge

Im Oktober 2019 enthüllte NASA zwei neue Raumanzugdesigns – eine neue Exploration Extravehicular Mobility Unit (xEMU) und den Orion Crew Survival System (OCSS) Anzug – beide werden für Artemis-Mondmissionen verwendet.

Der xEMU-Anzug bietet laut Berichten deutlich verbesserte Bewegungsfreiheit gegenüber aktuell für Extravehicular Activity (EVA) genutzten Anzügen. Laut ILC Dover (Frederica, Del., USA), der langjährigen Beziehung zu NASA bei der Fertigung von Raumanzügen hat, ist der xEMU-Anzug ein Update eines 2016 an NASA gelieferten fortschrittlichen Gehanzugs, bekannt als Z-2.

„Seit 2016 hat ILC Dover das Design von Gehanzügen sowie Null-G-Anzügen und Start-/Eintrittsanzügen weiter verbessert“, sagt Dan Klopp, Produktmarketing bei ILC Dover.

Der Z-2-Raumanzugprototyp weist Carbon/Epoxid-Torso- und Hüftelemente im Design auf. (Siehe „On Mars, not just any suit will do“ für mehr zu Composites in Raumanzügen.)

NASAs OCSS-Raumanzug ist als druckbeaufschlagter Start- und Eintrittsanzug für Orion-Crewmitglieder konzipiert. Obwohl NASA keine Details zu Materialien im neuen Design veröffentlicht hat, ist es ein sicherer Tipp, dass ein beträchtlicher Anteil Composites involviert ist. Shuttle-Ära Start- und Eintrittsanzüge wiesen eine Außenschicht aus DuPots (Richmond, Va., USA) flammbeständigem Meta-Aramid Nomex auf. Frühere Extravehicular Mobility Units (EMUs) nutzten Kombinationen aus Nomex, dem Para-Aramid Kevlar (ebenfalls von DuPont entwickelt) und Gore-Tex, einer wasserdichten, atmungsaktiven Stoffmembran, gefertigt von W.L. Gore & Assoc. (Newark, Del., USA) (Mehr erfahren).

Mars

Ein großer Teil der Artemis-Initiative bereitet die Bühne für das Senden von Menschen zum Mars. In der Zwischenzeit arbeitet NASA auch auf eine unbemannte Marsmission diesen Sommer hin, die einen neuen robotischen Rover und einen robotischen Erkundungshelikopter auf dem roten Planeten etablieren wird.

Eine kapselförmige Aeroshell wird den Mars 2020 Rover während des Eintritts in die Marsatmosphäre und Landung schützen. Die Aeroshell besteht aus Aluminiumwabe mit Carbonfaser-Deckschichten. Der Hitzeschild nutzt ein gekacheltes Phenolic Impregnated Carbon Ablator (PICA) Thermal Protection System.

Der Mars 2020 Rover selbst ist ca. 10 ft lang, 9 ft breit und 7 ft hoch (3 m lang, 2,7 m breit, 2,2 m hoch). Obwohl NASA keine Details zu den Materialien für den Roverbau veröffentlicht hat, ist bekannt, dass Advanced Composites Training (ACT) (London, Ontario, Kanada) als Berater für NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) (Pasadena, Calif., USA) zum Einsatz von Composite-Materialien für den Bau des Mars 2020 Rovers diente (Mehr erfahren).

Bei 2.314 lbs (1.050 kg) wiegt der Rover weniger als ein durchschnittlicher Kompaktwagen. Er muss sowohl leicht als auch langlebig für die Reise zum roten Planeten sein und stark genug, Kameras und wissenschaftliche Instrumente sowie den Mars-Helikopter zu tragen – ein weiteres Composite-intensives Fluggerät, das zur Planetenforschung eingesetzt wird.

Der Mars Helicopter besteht aus mehr als 1.500 Einzelteilen aus Carbonfaser, flugtauglichem Aluminium, Silizium, Kupfer, Folie und Schaum und wiegt nicht mehr als 4 lbs (1,8 kg) (Mehr erfahren).

Sonne

Zwei Missionen laufen derzeit, um unser Verständnis der Sonne und ihres Verhaltens zu verbessern, beide mit dem ultimativen Ziel, Sonnenstürme vorherzusagen, die terrestrische elektrische Systeme, Satellitenkommunikation und GPS beeinflussen können.

Parker Solar Probe

Die Parker Solar Probe startete im August 2018 und führt In-situ-Messungen und Imaging durch, um die Sonnenkorona und den Sonnenwind zu studieren. Um den extremsten Temperaturen in dieser Region standzuhalten, nutzt die Sonde einen 4,5-Zoll-dicken leichten reflektierenden Schild. Dieses Thermal Protection System (TPS) besteht aus Carbonfaser-Composite-Schaum, sandwiched zwischen zwei Carbonlaminaten und beschichtet mit weißer Keramikfarbe auf der sonnenzugewandten Oberfläche. Der Schild wurde von Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (Laurel, Md., USA) entworfen und bei Carbon-Carbon Advanced Technologies (Kennedale, Texas, USA) gebaut.

Die meisten Instrumente der Sonde sind hinter dem TPS verstaut, und Sensoren entlang des Hitzeschildrands halten das Raumfahrzeug korrekt positioniert. Solararrays, die das Fluggerät mit Energie versorgen, können in den Schatten des Hitzeschilds eingefahren werden zum Schutz. Ein einfaches Kühlsystem, das durch Zirkulation von ca. 1 Gallone Wasser operiert, hält auch die Solararrays und Instrumentierung kühl.

Im Januar 2019 berichtete NASA, dass die Parker Solar Probe nach ihrem vierten nahen Sonnenannäherung (Perihel) wie designed operierte. Der TPS erreichte einen neuen Rekord von 1.134 °F (612 °C), während das Raumfahrzeug und Instrumente hinter diesem schützenden Hitzeschild bei ca. 85 °F (30 °C) blieben. Während der drei nächsten Perihelia 2024–25 wird der TPS Temperaturen um 2.500 °F (1.370 °C) sehen.

Solar Orbiter

Solar Orbiter, eine kollaborative Mission zwischen European Space Agency (ESA) und NASA, startete im Februar 2020. Der Orbiter befindet sich auf einer einzigartigen Bahn, die es seinem umfassenden Instrumentensatz ermöglicht, die ersten jemals aufgenommenen Bilder der Sonnenpole zu liefern.

Das Raumfahrzeug wird durch einen Carbonfaser-Composite/Titan-gelagerten Sonnenschild mit Aperturen für diverse Instrumente geschützt. Der 324-Pfund-Hitzeschild hält bis zu 970 °F (521 °C) stand und nutzt eine 0,05-mm-dicke Titanfolie zur Wärmereflexion. Der Schild wird von einem 2,94 × 2,56 m Trägerpanel gestützt, das ca. 5 cm dick ist und aus leichtem Aluminiumwabenkern mit zwei hoch thermisch leitfähigen Carbonfaser-Deckschichten besteht. Weiteren Schutz bietet Mehrschichtisolierung, fähig, 572 °F (300 °C) standzuhalten. Solar Orbiters Hitzeschild ist mit einer dünnen, schwarzen Schicht Calciumphosphat beschichtet.

Jenseits des Sonnensystems

Im August 2019 verbanden Ingenieure bei Northrop Grummans Anlagen in Redondo Beach, Calif., USA, mechanisch das James Webb Space Telescope (JWST) Optical Telescope Element, das Spiegel und Wissenschaftsinstrumente umfasst, und das Space Craft Element, das JWSTs Sonnenschild und Raumfahrzeug kombiniert, erstmals. Obwohl beide Teleskopkomponenten einzeln getestet wurden, markiert dies den ersten Zeitpunkt, an dem die beiden Hälften zu einem einzelnen Observatorium kombiniert wurden. Der Meilenstein war wichtig für Webb, da das Teleskop auf seinen geplanten Start 2021 zusteuert.

JWST ist das leistungsstärkste und komplexeste Weltraumteleskop, je gebaut – 100-mal leistungsstärker als das Hubble-Teleskop. Entworfen, um das Kosmos mittels Infrarotlicht zu erforschen, wird das Teleskop Astronomen erlauben, die entferntesten Objekte im Universum zu beobachten und Bilder entfernter Sterne, Exoplaneten und der ersten gebildeten Galaxien zu liefern. Das Teleskop ist auch ein spannendes Beispiel dafür, wie Composites Satelliten und Raumfahrzeuge ermöglichen.

Die Teleskopplattform besteht aus drei Hauptkomponenten – dem Optical Telescope Element (OTE), dem Integrated Science Instrument Module (ISIM) und dem Space Craft Element (SCE), das das Raumfahrzeug-Bus und das tennisplatzgroße Sonnenschild umfasst.

JWST nutzt einen Carbonfaser-Backplane zur Unterstützung der Teleskopspiegel, Instrumente und anderer Elemente – insgesamt mehr als 2.400 kg (2,5 Tonnen) Hardware. Die Struktur ist auch verantwortlich für die Stabilität des Teleskops während langer Lichtsammlungsperioden. Der Backplane darf nicht mehr als 38 Nanometer variieren, trotz extremer Temperaturen von -406 °F bis -343 °F (-243 °C bis -208 °C).

Der Backplane besteht aus Prepreg umfassend Carbonfaser von Toray Advanced Composites und Cyanatester-Harz von Hexcel (Stamford, Conn., USA). Die Struktur umfasst mehr als 10.000 leichte Carbonfaser-Composite-Teile. Die gesamte Backplane-Struktur inklusive Mittelteil, Flügelbaugruppen und Backplane Support Fixture (BSF) misst ca. 24 ft hoch × 19,5 ft breit × mehr als 11 ft tief (7,3 × 5,9 × 3,4 m) bei voller Entfaltung. Sie wiegt nur 2.180 lbs (989 kg), wird aber Instrumente tragen, die mehr als 7.300 lbs (3.311 kg) wiegen – eine Nutzlast von mehr als 300 % ihres Eigengewichts.

Zusätzlich zum Primärspiegel und Backplane-Struktur umfasst JWSTs OTE seinen Deployable Tower Assembly (DTA), die Sekundärspiegel-Unterstützungsstruktur und das ISIM-Framework, das die wissenschaftlichen Instrumente und Kühlsysteme des Teleskops beherbergt. Diese Strukturen bestehen aus Prepreg aus ultra-hochmoduliger Carbonfaser und Cyanatester-Harz von Toray Advanced Composites.

„Diese Materialien sind sehr gute Optikbank-Materialien“, sagt Sean Johnson, Produktmanager Thermoplaste für Toray. „Die hohe Steifigkeit der UHM-Faser bietet eine sehr stabile Struktur [und] liefert eine gewisse Dämpfung. Es ist sehr gut bei den niedrigen Temperaturen, die [JWST] sehen wird.“

Der SCE, oder Raumfahrzeug-Bus, besteht ebenfalls aus Torays Carbonfaser-Composites und beherbergt Antrieb, Observatoriums-Unterstützungssysteme, Solarenergie, aktive Kühlsysteme und Kommunikation. Der Bus muss gleichzeitig leicht sein, doch einer Kraft äquivalent zu 45 Tonnen standhalten, während er das Observatorium während des Starts unterstützt.

Im Oktober 2019 bestand JWST erfolgreich seinen Sonnenschild-Entfaltungstest und ist derzeit für 2021 zum Start terminiert (Mehr erfahren).

Ein riesiger Sprung

Die nächsten Jahre werden die Bühne für ein ganz neues Zeitalter der Raumfahrt bereiten. Während sich die Raumfahrzeuge und Systeme für dieses neue goldene Zeitalter weiterentwickeln, werden Composite-Lieferanten und -Fertiger ständig gefordert sein, Materialien und Technologien an neue Grenzen zu treiben.