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Die Grenzen des Raketendesigns überwinden

02 Mär 2022
Kollmorgen Experten

Raketen werden unter den anspruchsvollsten Bedingungen eingesetzt. Beim Durchqueren der Erdatmosphäre und aufgrund der hohen Geschwindigkeit, mit der die Rakete unterwegs ist, kann es zu massiven Wärmeströmen kommen. Bei Geschwindigkeiten von über 10.000 Kilometern pro Stunde benötigen sie Komponenten, die unter diesen Bedingungen zuverlässig und präzise arbeiten. Darüber hinaus muss die Technologie, die diese Flugkörper antreibt, aufgrund der höheren Leistungsanforderungen, mehr Drehmoment und Leistung im Verhältnis zum Gewicht liefern.  

Der typische Ansatz bei der Entwicklung eines Raketensystems für diese Bedingungen besteht darin, einen größeren Motor zu entwickeln, der die richtige Leistung erbringen kann und gleichzeitig nicht durch hohe Temperaturen beeinträchtigt wird. Dies führt jedoch dazu, dass die Rakete größere Baumaße hat, was mehr Platz benötigt und mehr Geld kostet. Kleinere Baumaße können diese Kosten mindern, aber die Leistung beeinträchtigen.  

Ziel ist es, einen Motor zu entwickeln, der die gleiche Leistung bei geringerer Größe bietet oder bei gleichem Platzbedarf die Leistung erhöht. Da aus den technischen Komponenten nur eine begrenzte Leistung herausgeholt werden kann, können andere Bereiche rund um den Motor, wie zum Beispiel die Isolierung oder das Magnetmaterial, die richtige Kombination bieten, um mehr Leistung auf gleichem Raum zu erzielen.  

Isolierungssysteme

Aktuelle Motoren mit einem typischen Isolierungssystem können in einem Umgebungstemperaturbereich von 150 °C–180 °C betrieben werden. Diese Reichweite schränkt die Einsatzmöglichkeiten der Rakete ein, insbesondere bei Hyperschallumgebungen. Um mehr Leistung aus dem Motor herauszuholen und ihn bei einer höheren Betriebstemperatur zu halten, wandten sich die A&D-Ingenieure von Kollmorgen der Materialwissenschaft zu, um einzigartige Methoden zum Ersetzen der Isolierung zu finden, um den Umgebungstemperaturbereich zu vergrößern. Nach dem Test mehrerer Materialien, entwickelten die Ingenieure Konzepte für den Einsatz verschiedener Isoliermaterialien, die für bestimmte Anwendungen optimiert wurden und so den Betrieb des Motors ermöglichten. Diese neuen Isoliermaterialien ermöglichten den Betrieb des Motors auf einem höheren Niveau, indem sie die Dauerbetriebstemperatur auf 210 °C bis 240 °C erhöhten.

Magnetmaterial

Das am häufigsten in kommerziellen Anwendungen verwendete Magnetmaterial ist Neodym-Eisen-Bor (üblicherweise als NEO-Magnete bezeichnet). Diese NEO-Magnete erbringen in alltäglichen Anwendungen gute Leistungen, aber wenn sie den extremen Temperaturen ausgesetzt werden, die in Raketenanwendungen vorkommen, beginnt ihre Leistung nachzulassen. Wie die Kupferisolierung schränkte dies die Gesamtleistung von Motor und Rakete ein. Durch bahnbrechende materialwissenschaftliche Forschungen wurde jedoch eine andere Legierung gefunden, die den extremen Temperaturanforderungen gerecht wird: Samarium-Cobalt. Samarium-Cobalt ist ähnlich stark wie NEO-Magnete, hat aber eine höhere Temperaturbeständigkeit und Koerzitivfeldstärke mit einer maximalen Einsatztemperatur von 320 °C. Die Verwendung dieses Magneten ermöglicht eine höhere Leistung ohne die Auswirkungen einer erhöhten Temperatur.  

Kontunierliche Innovationen in der Materialwissenschaft

Kollmorgen ist seit langem ein führender Experte auf dem Gebiet der Materialwissenschaft und weiß um die Bedeutung, den diese für die Leistung und Innovation von Motoren haben kann. Dies geht jedoch über das bloße Verständnis der Materialwissenschaft hinaus und erstreckt sich auch auf das Testen und Validieren der Leistungsfähigkeiten eines Materials. Kollmorgen hat unzählige Stunden damit verbracht, Materialien zu identifizieren, zu testen und zu verbessern. Und das ist nur für den Prototyp. Die Veränderung von Materialien hat Auswirkungen auf den Herstellungsprozess – und Kollmorgen verfügt über das Know-how, um diese Innovationen in großem Maßstab umzusetzen.  

Als Partner, der sich für die Risikominderung in der gesamten Lieferkette einsetzt, treibt Kollmorgen die Materialwissenschaft immer weiter voran und ist sich der Schlüsselrolle bei der Verbesserung der Leistung und des Wertes der Motoren bewusst. Durch ständige Innovation können wir dieses Wissen nutzen und die Vorteile auf reale Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungswesen anwenden.

Sind Sie bereit, zu erfahren, wohin die Materialwissenschaft Sie führen kann? Lassen Sie uns loslegen. Fragen Sie einen Antriebsexperten.

Über den Autor

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Dieses Blogthema wurde in Zusammenarbeit von Motion- und Automationsexperten bei Kollmorgen erstellt, darunter Ingenieure, Customer Service - Mitarbeiter und Applikateure. Gerne helfen wir auch bei Ihrem Projekt.

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