DE60026896T2 - Strukturbauteil aus einem Verbundwerkstoff mit eingebauter Dämpfung - Google Patents

Strukturbauteil aus einem Verbundwerkstoff mit eingebauter Dämpfung Download PDF

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    • F16F2226/00Manufacturing; Treatments

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff mit integrierter Dämpfungsfähigkeit, womit Bedarf an aufwändigen aktiven Steuerungseinrichtungen gegen im akustischen Bereich einwirkende strukturelle Belastungen sowie gegen durch nicht im akustischen Bereich einwirkende Störungen in Raumfahrzeugen, Luftfahrzeugstrukturen, Kraftfahrzeugen, Präzisionsmaschinen und dgl. auf ein Minimum reduziert und in einigen Fällen überflüssig wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung, in der das Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff verwendet wird, und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Hintergrund und Zusammenfassung der Erfindung
  • Beim Start eines Raumfahrzeugs sind die Strukturen aus Verbundwerkstoff einschließlich der Verkleidungen aus Verbundwerkstoff der Nutzlast des Raumfahrzeugs einem breiten Frequenzband und Störungen durch hohe Beschleunigungen ausgesetzt. Alle Bauteile aus Verbundwerkstoff eines Raumfahrzeugs besitzen keine ausreichenden Dämpfungseigenschaften, um diese Schwingungen zu unterdrücken, und benötigen daher eine aktive Steuerung der Struktur des Raumfahrzeugs. Beispielsweise offenbart das gemeinsam übertragene U. S. Patent 5,655,757 einen aktiv gesteuerten Dämpfer, der gegenseitig bedingten Schwingungen der Teile standhält, und betrifft insbesondere einen aktiv gesteuerten Dämpfer mit ringförmiger Struktur zur Dämpfung der Schwingungen zwischen einer Nutzlast und einem Adapterverbindungsfittung einer Trägerrakete.
  • Ein weiteres Problem besteht darin, dass für ein Raumfahrzeug schnelle Einschwingzeiten erreicht werden müssen. Ein ungedämpftes System mit einer sehr niedrigen Eigenfrequenz benötigt eine sehr lange Einschwingzeit beim Schwenken des Raumfahrzeugs, die nicht wünschenswert ist.
  • Fachliteratur von Interesse auf dem Gebiet von Verbundwerkstoffen für Dämpfungszwecke findet sich u. a. in: FR-A-2 655 036 ("Pradom Ltd.") und "METALS HANDBOOK, Band 2, 10. Ausgabe: Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials", ASM International, ISBN: 0-87179-378-5, 1990, Seiten 456, 471 und 462. Die FR-A-2 655 036 betrifft einen Werkstoff auf Verbundbasis zur Herstellung gesinterter Verbundwerkstoffe, die mit langen Fasern verstärkt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix von einer Kombination aus einem organischen polymeren Werkstoff und/oder mineralischem Keramikwerkstoff und einem metallischen Werkstoff gebildet ist, die vorzugsweise innig gemischt werden. Sie betrifft ferner Werkstoffe, die durch Sintern dieser Grundwerkstoffe hergestellt werden, das Verfahren zur Bearbeitung und Verwendung der Werkstoffe im Flugzeugbau, in Raum- oder Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen wie im TGV (Hochgeschwindigkeitszug), in der Kraftfahrzeugindustrie oder in entflammbaren Produkten. Das METALS HANDBBOK führt verschiedene Metalle auf und behandelt die Dämpfungsfähigkeit der Metalle, insbesondere von Magnesium und Magnesiumlegierungen.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff mit integrierter Dämpfung bereitzustellen, mit dem der Bedarf an aufwändigen aktiven Steuerungseinrichtungen gegen im akustischen Bereich einwirkende strukturelle Belastungen sowie gegen durch nicht im akustischen Bereich einwirkende Störungen auf ein Minimum reduziert und in einigen Fällen überflüssig wird. Das erfindungsgemäße Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff kann in Raumfahrzeugen sowie in Luftfahrzeugen, Kraftfahrzeugen und Präzisionsmaschinen vorteilhaft verwendet werden.
  • Ein Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff mit integrierter Dämpfung gemäß einer ersten allgemeinen Ausführungsform der Erfindung weist auf: eine nicht metallische Matrix; eine Mehrzahl Filamente in der Matrix, die die Matrix verstärken; und ein Leichtmetall mit einer spezifischen Dämpfungsfähigkeit von mindestens 1% bei einem oder mehreren Belastungsniveaus, mit dem die Filamente in der nicht metallischen Matrix des Strukturbauteils aus Verbundwerkstoff beschichtet sind, um Schwingungen des Bauteils (14) zu dämpfen.
  • In einem Beispiel wird das Leichtmetall aus der Gruppe gewählt, die aus einer Magnesiumlegierung und einer Aluminiumlegierung besteht. Das Leichtmetall kann eine Magnesiumlegierung sein, die 0,1 bis 10 Gew.-% Zirkon enthält, wobei der Rest im Wesentlichen Magnesium ist. Die Matrix kann porös sein, wobei die Poren der Matrix mit dem Leichtmetall gefüllt sind. In einem bestimmten Beispiel ist die Matrix ein kohlenstoffhaltiges Material und die Filamente sind Kohlefasern. Die Filamente können sich einseitig gerichtet in der Matrix erstrecken oder statt dessen eine regellos gerichtete Orientierung in der Matrix haben.
  • In einer bestimmten Ausführungsform wird das Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff in einer Vorrichtung verwendet, die aufweist: eine Trägerrakete, die ein Adapterverbindungsfitting enthält; eine Raketennutzlast, die an der Trägerrakete über das Adapterverbindungsfitting angebaut ist; und einen Dämpfer, der zwischen der Raketennutzlast und dem Adapterverbindungsfitting angeordnet ist, um Schwingungen zwischen der Trägerrakete und der Raketennutzlast zu dämpfen; wobei der Dämpfer das oben erwähnte Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff enthält. Das Leichtmetall des Strukturbauteils aus Verbundwerkstoff der Vorrichtung kann aus der Gruppe gewählt werden, die eine Magnesiumlegierung und eine Aluminiumlegierung enthält. Die Matrix des Strukturbauteils aus Verbundwerkstoff der Vorrichtung kann ein poröses kohlenstoffhaltiges Material sein, wobei die Poren der Matrix mit dem Leichtmetall gefüllt sind.
  • In einer weiteren bestimmten Ausführungsform wird das Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff in einer Vorrichtung verwendet, die aufweist: eine Trägerrakete, die ein Adapterverbindungsfitting enthält; eine Raketennutzlast, die an der Trägerrakete über das Adapterverbindungsfitting angebaut ist; und eine Raketenverkleidung, die mit der Trägerrakete verbunden ist und die Raketennutzlast umgibt; wobei die Raketenverkleidung das oben erwähnte Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff enthält. Die Matrix des Strukturbauteils aus Verbundwerkstoff kann ein poröses kohlenstoffhaltiges Material sein, wobei die Poren der Matrix mit dem Leichtmetall gefüllt sind.
  • In einer weiteren bestimmten Ausführungsform wird das Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff in einer Sammelschiene eines Raumfahrzeugs verwendet.
  • Ein Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff mit integrierter Dämpfung gemäß einer zweiten allgemeinen Ausführungsform der Erfindung weist auf: ein Metallgitter; und ein Leichtmetall mit einer spezifischen Dämpfungsfähigkeit von mindestens 1% bei einem oder mehreren Belastungsniveaus, das auf dem Metallgitter aufgebracht ist, um Schwingungen des Bauteils zu dämpfen. Das Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff kann zum Aufbau einer ausfahrbaren Satellitenantenne verwendet werden, wobei das Metallgitter aus mit Gold beschichtetem Molybdändraht gebildet ist und das am Gitter aufgebrachte Leichtmetall aus der eine Magnesiumlegierung und eine Aluminiumlegierung enthaltenden Gruppe gewählt wird.
  • Außerdem wird ein Verfahren zur Bereitstellung eines Strukturbauteils aus Verbundwerkstoff mit integrierter Dämpfung dargelegt. Das Verfahren weist auf: Bereitstellen einer nicht metallischen Matrix; Ausbilden einer Mehrzahl Filamente in der Matrix, die die Matrix verstärken; und Beschichten der Filamente in der nicht metallischen Matrix des Strukturbauteils aus Verbundwerkstoff mit einem Leichtmetall mit einer spezifischen Dämpfungsfähigkeit von mindestens 1% bei einem oder mehreren Belastungsniveaus, um Schwingungen des Bauteils zu dämpfen.
  • Diese und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, die allerdings nur zur Veranschaulichung mehrere Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Raumfahrzeugs mit einem gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten Dämpfer;
  • 2 ist eine vergrößerte Ansicht des Dämpfers von 1;
  • 3 ist eine schematische perspektivische Ansicht des Raumfahrzeugs von 1, die außerdem eine Raketennutzlast in Form eines Satelliten mit einer Satellitenantenne und einer Satelliten-Sammelschiene mit je einer integrierten Dämpfung gemäß der vorliegenden Erfindung und ferner eine Nutzlastverkleidung der Rakete zeigt, die gemäß der Erfindung aufgebaut ist, um akustische und andere Störungen während des Starts zu dämpfen.
  • 4 ist eine schematische Schnittansicht quer zum Längsverlauf der darin enthaltenen Filamente eines Strukturbauteils aus Verbundwerkstoff gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Leichtmetall mit einer spezifischen Dämpfungsfähigkeit von mindestens 1% auf den Filamenten in der nicht metallischen Matrix des Strukturbauteils aus Verbundwerkstoff aufgebracht ist;
  • 5 ist eine schematische Schnittansicht eines Strukturbauteils aus Verbundwerkstoff gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Poren eines porösen kohlenstoffhaltigen Strukturbauteils mit einer Magnesium-Zirkon-Legierung gefüllt sind;
  • 6 ist eine schematische Schnittansicht eines ringförmigen Abschnitts einer gemäß der Erfindung aufgebauten Nutzlastverkleidung des Raumfahrzeugs von 3, die die Verwendung von Filamenten mit durchgehender Länge zeigt, die sich einseitig gerichtet, z. B. in Umfangsrichtung, im Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff der Verkleidung um die Verkleidung erstrecken;
  • 7 ist ein vergrößerter Abschnitt der Satelliten-Sammelschiene von 3, teilweise im Querschnitt, der ein Gewebe aus sich in zwei Richtungen erstreckenden Filamenten zeigt, die beim Ausbilden des Strukturbauteils aus Verbundwerkstoff der Sammelschiene verwendet werden; und
  • 8 ist eine Schnittansicht einer anderen Form des Strukturbauteils aus Verbundwerkstoff der Erfindung, insbesondere der ausfahrbaren Satellitenantenne von 3, bei der das Metallgitter der ausfahrbaren Satellitenantenne in ein Leichtmetall mit einer spezifischen Dämpfungsfähigkeit von mindestens 1% zur Dämpfung der Schwingungen der Antenne eingebettet ist.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Wie in den 1 bis 3 dargestellt ist, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eine Trägerrakete 2 auf, die ein Adapterverbindungsfitting 3 enthält. Eine Raketennutzlast 4 ist über das Adapterverbindungsfitting 3 an der Trägerrakete 2 angebaut. Ein erfindungsgemäßer Dämpfer 5 ist zwischen der Raketennutzlast und dem Adapterverbindungsfitting angeordnet, um Schwingungen zwischen der Trägerrakete und der Raketennutzlast zu dämpfen.
  • Die Trägerrakete 2 hat einen im Allgemeinen zylindrischen Querschnitt mit einem oberen Ende 6 und einem unteren Ende (nicht dargestellt). Das Nutzlast-Adapterverbindungsfitting 3 ist auf bekannte Weise fest am oberen Ende 6 der Trägerrakete 2 angebaut. Die Trägerrakete 2, die Raketennutzlast 4 und das Nutzlast-Adapterverbindungsfitting 3 liegen auf einer Längsachse 7. Wie in 2 dargestellt hat das Adapterverbindungsfitting 3 die Form eines konischen Abschnitts mit gegenüberliegenden kreisförmigen Enden 8, 9. Das kreisförmige Ende 8 hat einen größeren Durchmesser als das andere kreisförmige Ende 9. Das obere Ende 6 der Trägerrakete 2 ist fest mit dem kreisförmigen Ende 8 des Adapterverbindungsfittings 3 verbunden.
  • Der Dämpfer 5 liegt entlang der Längsachse 7 und ist wie in 3 dargestellt zweckmäßigerweise zwischen dem kreisförmigen Ende 9 des Fittings 3 und der Nutzlast 4 eingesetzt. Der Dämpfer 5 enthält ein erstes ringförmiges Element 10 mit einer ersten Ansatzfläche 11, das mit dem kreisförmigen Ende 9 des Fittings 3 gekoppelt wird. Der Dämpfer 5 enthält außerdem ein zweites ringförmiges Element 12 mit einer zweiten Ansatzfläche 13, das mit der Raketennutzlast 4 gekoppelt wird.
  • Eine Reihe von Strukturbauteilen 14 aus Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung ist zwischen den ersten und den zweiten ringförmigen Elementen 10 bzw. 12 und an deren Umfang angeordnet. Die Strukturbauteile 14 aus Verbundwerkstoff sind in gleichmäßigem Abstand zueinander um die ersten und die zweiten ringförmigen Elemente angeordnet. Jedes der Strukturbauteile 14 aus Verbundwerkstoff ist in der offenbarten Ausführungsform identisch aufgebaut, wobei jedes eine im Wesentlichen blockartige Konfiguration mit integrierter Dämpfungsfähigkeit hat, um den Bedarf an einem aktiv gesteuerten Dämpfer des z. B. im U. S. Patent Nr. 5,655,757 offenbarten Typs möglichst gering zu halten oder auszu schließen. Die Bauteile werden zwischen den Elementen 10 und 12 durch Einfassungselemente 30 in Position gehalten, die an die Seiten des zweiten ringförmigen Elements 12 gequetscht sind und wie in 2 dargestellt die Bauteile 14 erweitern. Es können auch andere Befestigungssysteme oder eine Verklebung der Bauteile zur Anwendung kommen, um die Strukturbauteile 14 in ihrer Lage zu halten.
  • Jedes Strukturbauteil 14 aus Verbundwerkstoff des ringförmigen Dämpfers 5 weist in der in 4 dargestellten Ausführungsform der Erfindung eine nicht metallische Matrix 17, eine Mehrzahl Filamente 18 und ein Leichtmetall 19 mit einer spezifischen Dämpfungsfähigkeit von mindestens 1% auf, das auf den Filamenten des Strukturbauteils aus Verbundwerkstoff aufgebracht ist, um Schwingungen des Bauteils zu dämpfen. Die nicht metallische Matrix 17 ist vorzugsweise ein Harzmaterial, z. B. ein Epoxidharz, das um die Filamente 18 mit der Leichtmetallbeschichtung 19 im Spritzverfahren oder auf andere Weise aufgebracht wird, um das Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff auszubilden.
  • Die Filamente 18 des Strukturbauteils 14 aus Verbundwerkstoff sind in der offenbarten Ausführungsform Kohlefasern, es können aber auch wie oben erwähnt Filamente aus anderen Werkstoffen verwendet werden. Die Filamente 18 in 4 erstrecken sich einseitig gerichtet in der Matrix 17. Ihre Länge kann sich durchgehend entlang der Längsrichtung des Strukturbauteils aus Verbundwerkstoff erstrecken. Alternativ können sich die Filamente 18 wie in 7 dargestellt in Form eines Gewebes aus Filamenten 28 beidseitig gerichtet in der Matrix erstrecken. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die Filamente wie in der Ausführungsform in 5 unter dem Bezugszeichen 24 dargestellt aus zerhackten Fasern mit verhältnismäßig kurzer Länge und regelloser Ausrichtung in der Matrix bestehen.
  • Die Filamente 18 im Strukturbauteil 14 aus Verbundwerkstoff in 4 sind jeweils mit einem Leichtmetall mit einer spezifischen Dämpfungsfähigkeit von mindestens 1% beschichtet, um Schwingungen des Bauteils zu dämpfen. Das Leichtmetall wird vorzugsweise aus der Gruppe gewählt, die eine Magnesiumlegierung und eine Aluminiumlegierung enthält. Die nachstehende Tabelle 1 führt Aluminium- und Magnesiumlegierungen mit ihrer ASTM-Bezeichnung zusammen mit ihrer spezifischen Dämpfungsfähigkeit in Prozent bei verschiedenen Belastungsniveaus auf, die die obige spezifische Dämpfungsfähigkeit von mindestens 1% bei einem oder mehreren Belastungsniveaus bereitstellen, um Schwingungen des Bauteils zu dämpfen.
  • TABELLE 1
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  • Das Leichtmetall 19 wird auf die Kohlefasern 18 des Strukturbauteils 14 durch Aufdampfen oder ein anderes herkömmliches Verfahren aufgebracht, um die Fasern mit geschmolzenem Magnesium oder einer geschmolzenen Aluminiumlegierung zu benetzen. Die Fasern 18 werden vorzugsweise so dick beschichtet, dass die Dicke des Metalls 19 zwischen dem 0,1-und dem 100-Fachen des Durchmessers der Kohlefasern 18 beträgt. Die Beschichtung 19 ist vorzugsweise meistens eine Magnesium-Zirkon-Legierung, die 90 bis 99,9 Gew.-% Magnesium und 10 bis 0,1 Gew.-% Zirkon enthält. Diese Legierungen haben eine ausgezeichnete Dämpfungsfähigkeit, z. B. die Fähigkeit, dass das Metall Schwingungsenergie elastisch absorbiert und verhindert, dass die Schwingungen durch das Metall weitergeleitet werden. Die spezifische Dämpfungsfähigkeit ist definiert als das Verhältnis zwischen der verlorenen Energie und der Energie, die größtmöglich absorbiert wird. Es können auch andere Legierungen einschließlich der in Tabelle 1 aufgeführten Aluminiumlegierungen erfolgreich zum Beschichten der Filamente verwendet werden. Es hat sich herausgestellt, dass das erfindungsgemäße Strukturbauteil 14 aus Verbundwerkstoff eine ebenso hohe Steifigkeit wie die fortschrittlichste Struktur und gleichzeitig eine ausreichende Dämpfungsfähigkeit für den Aufbau des ringförmigen Dämpfers 5 hat. Der Betrag der Dämpfung in der Struktur kann durch eine Herstellung in Verbundbauweise gesteuert werden.
  • Der Dämpfer 5 in den 1 bis 3 weist ferner eine Mehrzahl lastaufnehmender Federn 20 (2) auf, die zwischen dem ersten und dem zweiten ringförmigen Element 10, 12 und rings um diese herum angeordnet sind. Die lastaufnehmenden Federn 20 haben rings um das erste und das zweite ringförmige Element 10, 12 einen gleichmäßigen Abstand zueinander. Die lastaufnehmenden Federn 20 sind abwechselnd zwischen der Reihe Strukturbauteile 14 aus Verbundwerkstoff angeordnet. Die lastaufnehmenden Federn 20 wirken zusammen mit den Bauteilen 14 als lastaufnehmende und Verbindungselemente zwischen dem ersten und dem zweiten ringförmigen Element 10, 12. Beim Auftreten von Schwingungen zwischen der Trägerrakete 2 und der Nutzlast 4 bewegen sich das erste und das zweite ringförmige Element 10 axial und/oder seitlich zueinander. Diese relative Bewegung wird durch die Strukturbauteile 14 aus Verbundwerkstoff gedämpft, die zwischen dem ersten und dem zweiten ringförmigen Element 10 bzw. 12 und an deren Umfang angeordnet sind. In einem alternativen Aufbau können die Federn 20 entfallen oder radial innerhalb oder außerhalb der Strukturbauteile aus Verbundwerkstoff angeordnet werden. In einem derartigen Fall kann zur Schwingungsdämpfung ein einzelnes, durchgehendes, ringförmiges Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff zwischen dem ersten und dem zweiten ringförmigen Element 10 bzw. 12 eingebaut werden.
  • In einer Variante der Erfindung können beschichtete Fasern wie in 4 zusammen mit einem porösen Matrixmaterial verwendet werden, dessen Poren mit einem Leichtmetall mit einer spezifischen Dämpfungsfähigkeit von mindestens 1% wie in 5 dargestellt gefüllt sind.
  • Die vorliegende Erfindung weist ferner wie in 3 allgemein dargestellt eine Nutzlastverkleidung 25, eine Satelliten-Sammelschiene 26 und eine ausfahrbare Satellitenantenne 27 auf, die aus einem oder mehreren erfindungsgemäßen Strukturbauteilen aus Verbundwerkstoff aufgebaut sind. Der Querschnitt durch einen ringförmigen Abschnitt der Nutzlastverkleidung 25 in 6 zeigt die Verwendung von Filamenten 31 mit durchgehender Länge, sich einseitig gerichtet im Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff der Verkleidung, z. B. in Umfangsrichtung um die Verkleidung, erstrecken. Wie der Dämpfer 5 weist die Nutzlastverkleidung 25 vorzugsweise eine nicht metallische Matrix, eine Mehrzahl Filamente 31 in der Matrix, die die Matrix verstärken, und ein Leichtmetall mit einer spezifischen Dämpfungsfähigkeit von mindestens 1% auf, das auf den Filamenten des Strukturbauteils aus Verbundwerkstoff aufgebracht ist, um Schwingungen des Bauteils zu dämpfen.
  • Ein Abschnitt der in 7 dargestellten Satelliten-Sammelschiene 26 zeigt die Verwendung eines Gewebes 28 aus beidseitig ausgerichteten Filamenten, vorzugsweise Kohlefasern, die zur Ausbildung des Strukturbauteils aus Verbundwerkstoff der Sammelschiene verwendet werden. Eine Einzelheit eines Abschnitts der ausfahrbaren Satellitenantenne 27 von 3 ist in 8 dargestellt. Wie dort gezeigt ist ein Metallgitter 29 der ausfahrbaren Antenne in ein Leichtmetall 32 mit einer spezifischen Dämpfungsfähigkeit von mindestens 1% gemäß der Erfindung eingebettet, um Schwingungen der ausfahrbaren Antenne zu dämpfen. Das Metallgitter 29 wird aus mit Gold beschichtetem Molybdändraht gebildet. Das Metallgitter wird durch Eintauchen in das geschmolzene Leichtmetall oder durch eine andere Verbindung des Metallgitters mit dem Leichtmetall in das Leichtmetall eingebettet, um die Struktur der ausfahrbaren Antenne zur Dämpfung von Schwingungen mit dem Leichtmetall zu koppeln. Somit ist ersichtlich, dass ein Verfahren der Erfindung zur Herstellung eines Strukturbauteils aus Verbundwerkstoff mit integrierter Dämpfung gemäß der Erfindung die Schritte zur Bereitstellung eines Strukturbauteils, das Störungen bei der Verwendung für seinen beabsichtigten Zweck ausgesetzt ist, und die Schritte zur Bereitstellung eines Leichtmetalls mit einer spezifischen Dämpfungsfähigkeit von mindestens 1% für das Strukturbauteil enthält, um auf das Strukturbauteil einwirkende Störungen zu dämpfen.
  • Ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff mit der höchsten spezifischen Dämpfungsfähigkeit und der größten Steifigkeit weist ein geringes Gewicht mit entsprechend ausgelegten mechanischen Eigenschaften für gegebene strukturelle Systemanforderungen auf. Beispielsweise sind eine Raumfahrzeug-Sammelschiene und eine Raumfahrzeugverkleidung in der Lage, akustische Störungen sowie jede andere Störung beim Start zu dämpfen. Mit der Erfindung ist ein Schwenkmanöver steuerbar und eine Einschwingzeit kürzer als mit herkömmlichen Raumfahrzeug-Sammelschienen und -Verkleidungen.
  • Obwohl mehrere Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind, versteht es sich, dass diese nicht darauf beschränkt ist, sondern wie dem Fachmann bekannt ist, zahlreiche Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff in unterschiedlichen Formen, z. B. von Röhren, Dreiecken, Pyramiden, Würfeln, zur durchgehenden oder verteilten Dämpfung von Schwingungen verwendet werden. Es ist nicht notwendig, ein durchgehendes massives Stück zu verwenden. Im Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff können verschiedene Polymere und andere Matrix-Materialien verwendet werden. Daher ist keine Einschränkung auf die hier dargestellten und beschriebenen Einzelheiten beabsichtigt, sondern alle Änderungen und Modifikationen sind einbezogen, die vom Gültigkeitsbereich der beigefügten Ansprüche abgedeckt sind.

Claims (17)

  1. Strukturbauteil (14) aus Verbundwerkstoff mit integrierter Dämpfung, wobei das Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff aufweist: eine nicht metallische Matrix (15); eine Mehrzahl Filamente (18) in der Matrix (15), die die Matrix (15) verstärken; und ein Leichtmetall (19) mit einer spezifischen Dämpfungsfähigkeit von mindestens 1% bei einem oder mehreren Belastungsniveaus, mit dem die Filamente (18) in der nicht metallischen Matrix (15) des Strukturbauteils (14) aus Verbundwerkstoff beschichtet sind, um Schwingungen des Bauteils (14) zu dämpfen.
  2. Strukturbauteil (14) aus Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, bei dem das Leichtmetall (19) aus der Gruppe gewählt wird, die eine Magnesiumlegierung und eine Aluminiumlegierung enthält.
  3. Strukturbauteil (14) aus Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, bei dem das Leichtmetall (19) eine Magnesiumlegierung ist, die 0,1 bis 10 Gew.-% Zirkon enthält und der Rest im Wesentlichen Magnesium ist.
  4. Strukturbauteil (14) aus Verbundwerkstoff nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Matrix (15) porös ist und die Poren der Matrix (15) mit dem Leichtmetall (19) gefüllt sind.
  5. Strukturbauteil (14) aus Verbundwerkstoff nach Anspruch 4, bei dem die Matrix (15) ein kohlenstoffhaltiges Material ist.
  6. Strukturbauteil (14) aus Verbundwerkstoff nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Filamente (18) Kohlenstofffasern sind.
  7. Strukturbauteil (14) aus Verbundwerkstoff nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem sich die Filamente (18) einseitig gerichtet in der Matrix (15) erstrecken.
  8. Strukturbauteil (14) aus Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Filamente (18) eine regellos gerichtete Orientierung in der Matrix (15) haben.
  9. Vorrichtung aufweisend: eine Trägerrakete (2), die ein Adapterverbindungsfitting (3) enthält; eine Raketennutzlast (4), die an der Trägerrakete (2) über das Adapterverbindungsfitting (3) angebaut ist; und einen Dämpfer (5), der zwischen der Raketennutzlast (4) und dem Adapterverbindungsfitting (3) angeordnet ist, um Schwingungen zwischen der Trägerrakete (2) und der Raketennutzlast (4) zu dämpfen; wobei der Dämpfer (5) das Strukturbauteil (14) aus Verbundwerkstoff nach einem der vorigen Ansprüche enthält.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der das Leichtmetall des Strukturbauteils (14) aus Verbundwerkstoff aus der Gruppe gewählt wird, die eine Magnesiumlegierung und eine Aluminiumlegierung enthält.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Matrix des Strukturbauteils (14) aus Verbundwerkstoff ein poröses kohlenstoffhaltiges Material ist, wobei die Poren der Matrix mit dem Leitmetall gefüllt sind.
  12. Vorrichtung aufweisend: eine Trägerrakete (2), die ein Adapterverbindungsfitting (3) enthält; eine Raketennutzlast (4), die an der Trägerrakete (2) über das Adapterverbindungsfitting (3) angebaut ist; und eine Raketenverkleidung (25), die mit der Trägerrakete (2) verbunden ist und die Raketennutzlast (4) umgibt; wobei die Raketenverkleidung (25) das Strukturbauteil (14) aus Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8 enthält.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Matrix des Strukturbauteils (14) aus Verbundwerkstoff ein poröses kohlenstoffhaltiges Material ist, wobei die Poren der Matrix mit dem Leichtmetall gefüllt sind.
  14. Sammelschiene (26) eines Raumfahrzeugs, die das Strukturelement (14) aus Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8 enthält.
  15. Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff mit integrierter Dämpfung, wobei das Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff aufweist: ein Metallgitter (29); und ein Leichtmetall (19) mit einer spezifischen Dämpfungsfähigkeit von mindestens 1% bei einem oder mehreren Belastungsniveaus, das auf dem Metallgitter (29) aufgebracht ist, um Schwingungen des Bauteils (14) zu dämpfen.
  16. Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff nach Anspruch 15, bei dem das Strukturbauteil aus Verbundwerkstoff zum Aufbau einer ausfahrbaren Satellitenantenne (27) verwendet wird, wobei das Metallgitter (29) aus mit Gold beschichtetem Molybdändraht gebildet ist und das am Gitter (29) aufgebrachte Leichtmetall aus der eine Magnesiumlegierung und eine Aluminiumlegierung enthaltenden Gruppe gewählt wird.
  17. Verfahren zur Bereitstellung eines Strukturbauteils aus Verbundwerkstoff mit integrierter Dämpfung, aufweisend: Bereitstellen einer nicht metallischen Matrix (15); Ausbilden einer Mehrzahl Filamente (18) in der Matrix (15), die die Matrix (15) verstärken; und Beschichten der Filamente (18) in der nicht metallischen Matrix des Strukturbauteils aus Verbundwerkstoff mit einem Leichtmetall (19) mit einer spezifischen Dämpfungsfähigkeit von mindestens 1% bei einem oder mehreren Belastungsniveaus, um Schwingungen des Bauteils zu dämpfen.
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