The influence of ionizing radiation on the mechanical properties of structural adhesive joints in space

• Der Einfluss von ionisierender Strahlung auf die mechanischen Eigenschaften von strukturellen Klebungen im Weltraum

Zimmermann, Jannik; Schröder, Kai-Uwe (Thesis advisor); Reisgen, Uwe (Thesis advisor)

Aachen : Shaker Verlag (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Berichte aus dem Leichtbau 2022/02
Seite(n)/Artikel-Nr.: xiv, 163 Seiten : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Der Einsatz von strukturellen Klebungen im Raumfahrtsektor hat in den letzten Jahren erheblich zugenommen. Klebverbindungen bieten viele Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Fügetechniken wie Schweißen oder die Verwendung von mechanischen Verbindungselementen wie Schrauben, Bolzen und Nieten. Dennoch stellt die Weltraumumgebung eine große Herausforderung in Bezug auf die Alterung von Strukturklebstoffen dar. In den einschlägigen Handbüchern und Richtlinien zur Auslegung für Klebungen im Weltraum, fehlen Informationen über die Auswirkungen ionisierender Strahlung auf die mechanischen Eigenschaften von strukturellen Klebstoffen. Vielmehr sind widersprüchliche Aussagen darüber zu finden, ob die Wirkung ionisierender Strahlung in einer frühen Entwurfsphase berücksichtigt werden sollte oder nicht. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit eine Methodik entwickelt, welche die Berücksichtigung strahlungsinduzierter Degradation von strukturellen Epoxidklebstoffen für Raumfahrtanwendungen ermöglicht. Zu diesem Zweck werden Strahlungssimulationen für eine Vielzahl von Zielorbits durchgeführt, um die kumulierte ionisierende Strahlungsdosis zu ermitteln, der die Klebverbindung ausgesetzt ist. Mit Hilfe einer Simulation der Strahlungswechselwirkung wird die absorbierte Dosis für jede Position innerhalb der Klebstoffschicht bestimmt. Des Weiteren werden Bestrahlungsexperimente an Klebstoffproben für eine 20-jährige Mission in einer niedrigen Erdumlaufbahn durchgeführt. Für höhere Dosen, die einer 20-jährigen geostationären Mission entsprechen, werden Strahlungstests aus der Literatur verwendet. Ebenfalls wird ein neues analytisches Berechnungsschema zur Bestimmung der Steifigkeit von einschnittig überlappenden Klebungen entwickelt. Dieser Ansatz berücksichtigt die Verformung der Fügeteile normal zur Zugrichtung und ermöglicht parametrische Untersuchungen der strahleninduzierten Steifigkeitsdegradation von einschnittig überlappenden Klebungen. Die Methode wird mit experimentellen Tests und Finite Elemente Berechnungen validiert. Mit dem vorgeschlagenen Modell wird eine deutliche Verbesserung der Genauigkeit im Vergleich zu bestehenden analytischen Ansätzen erreicht. Mit Hilfe des Kohäsionszonenmodells wird die Auswirkung ionisierender Strahlung auf die Festigkeit von einschnittig überlappenden Klebungen untersucht. Dabei werden die Kohäsivzonenparameter in Abhängigkeit von der zuvor bestimmten Dosis-Tiefen-Kurve degradiert. Mit diesem Ansatz wird erstmals eine einschnittig überlappende Klebung virtuell einem realen Strahlungsspektrum ausgesetzt, welches einem bestimmten Orbit entspricht. Die Analyse zeigt, dass bei Überlappungslängen unter 10 mm die ionisierende Strahlung einen Einfluss auf die Festigkeit der einschnittig überlappenden Klebung hat, der durch eine Vergrößerung der Überlappungslänge oder der Klebfugenbreite im Entwurfsprozess kompensiert werden könnte. Bei Überlappungslängen über 10 mm kann der Einfluss der ionisierenden Strahlung auf die Festigkeit vernachlässigt werden.