KOMPENSATOREN FÜR
RAUMFAHRTRAKETEN-STARTRAMPE

Für einen französischen Hersteller von Raumfahrtraketen-Startrampen entwarf und fertigte Belman insgesamt sechs druckentlastete Kompensatoren für den Einbau in einen Tiefsttemperatur-Abschnitt des Treibstoffsystems, der LOX/Methan und Stickstoff zum Triebwerk der Raumfahrtrakete fördert.

PROBLEMATIK DES KUNDEN
Der Kunde hatte bereits an anderen Standorten seiner Startrampen positive Erfahrungen mit maßgefertigten druckentlasteten Kompensatoren gesammelt. Für einen anderen Abschnitt der Startrampe – genauer gesagt an der Triebwerksschnittstelle – wünschte der Kunde eine ähnliche Lösung mit druckentlasteten Kompensatoren, jedoch mit einfacherer Auslegung. Wegen des guten Rufs von Belman für maßgefertigte Lösungen und seiner umfassenden Erfahrung mit Tiefsttemperatur-Kompensatoren wandte sich der Kunde mit einer ersten Anfrage an Belman, in der er wichtige Parameter wie Größe, Medien und Betriebstemperatur darlegte.

BELMAN-LÖSUNG

Tiefsttemperatur-Kompensatoren für Raumfahrtraketen-Startrampe

Anhand der eingereichten Vorgaben und der Anfrage nach einem bestimmten Kompensatortyp nahm Belman den Dialog mit dem Kunden auf, um die Anwendungsanforderungen und Betriebsbedingungen vollständig zu verstehen. Dabei erkannte Belman, dass der gewünschte druckentlastete Kompensator die optimale Lösung für den Kunden darstellte. Auch die vorgelegten Daten und die anschließende Diskussion bestätigten diese Auswahl. Also entwickelte Belman eine maßgefertigte Kompensatorauslegung entsprechend den vorgegebenen Betriebsparametern. Die Anwendung stellte keine extremen Anforderungen hinsichtlich der Einbaulänge, signifikanter Druckverluste, hochdichter Flüssigkeiten oder Strömungsgeschwindigkeit, was die Eignung der druckentlasteten Auslegung zusätzlich bestätigte. Anhand der vom Kunden zur Angebotserstellung eingereichten technischen Auslegungsvorgaben sowie einer Skizze des bevorzugten Belman-Typs und der Installationsanordnung entwickelte Belman eine maßgefertigte Lösung. Das Konstruktionsprinzip der gelieferten Kompensatoren entspricht diesem Belman-Typ: Animation des druckentlasteten Belman-Kompensators

Alle Kompensatoren sind in Tiefsttemperatur-Rohrleitungen installiert, jedoch an unterschiedlichen Stellen des Startrampensystems. Folgendes wurde geliefert:

• 2 × DN 100 für LOX/Methan-Betrieb
• 2 × DN 50 für LOX/Methan-Betrieb
• 2 × DN 25 für Stickstoffversorgung

Zwar sind DN 25, DN 50 und DN 100 sehr geringe Nennweiten für druckentlastete Kompensatoren, das breite Produktsortiment von Belman ermöglicht aber auch die problemlose Auslegung und Fertigung solcher Lösungen. Der Kunde bewertete diese Auslegung ausdrücklich als die geeignetste Lösung, und Belman hat ihn gerne dabei unterstützt und entsprechend beliefert.

Warum werden druckentlastete Kompensatoren mit externen Begrenzern ausgelegt?

Das System arbeitet bei einem Druck von 10 barg unter Tiefsttemperaturbedingungen. Solchen Drücke verlangen keine zusätzlichen Konstruktionsaufwand im Vergleich zum Betrieb bei Umgebungstemperaturen (+20°C). Die Kompensatoren sind für 10 barg ausgelegt und können axiale und laterale Bewegungen in Kombination aufnehmen. Da die druckentlasteten Kompensatoren sowohl axiale als auch laterale Bewegungen aufnehmen sollen, sind sie mit zwei Arbeitsbälgen ausgestattet. Diese Konfiguration reduziert auch die seitliche Federrate. Im Gegensatz dazu erfordert eine nur für axiale Bewegungen ausgelegte Auslegung nur einen einzigen Arbeitsbalg.

Gemäß Kundenwunsch sind die druckentlasteten Kompensatoren mit externen Zugankern ausgestattet, welche die Bewegungen durch die Übertragung von Kräften und Bewegungen zwischen den Bälgen steuern. Dies ist eine gut durchdachte Lösung. Eine alternative Ausführung mit internen axialen Begrenzern würde zu übermäßiger Steifigkeit bei den lateralen Bewegungen in der Anlage des Kunden führen.

Aufgrund der kritischen Anwendung waren vollständige Rückverfolgbarkeit sowie umfassende Prüfungen erforderlich. Dies umfasste eine Dichtheitsprüfung, eine Druckprüfung, eine Farbeindringprüfung sowie eine Maßkontrolle und Sichtprüfung. Wegen der besonderen Betriebsbedingungen wurden für das Projekt spezielle Reinigungsverfahren eingeführt. Dies gehört bei Belman bei solchen Anwendungen zur Standardpraxis, bei welchen Belman über umfangreiche Erfahrung verfügt.

Welche Kompensatorwerkstoffe sind für Tiefsttemperatur-Anwendungen ausreichend beständig?

Wegen der Tiefsttemperatur-Anwendung und der geförderten Medien (LOX/Methan und Stickstoff, alle bei –196°C) spezifizierte der Kunde den Werkstoff 1.4541 (AISI 321) für die Bälge sowie die Werkstoffe 1.4404 (AISI 316L) und 1.4307 (AISI 304L) für das Mittelrohr, die Flansche, Rohrenden und dergleichen. Diese Werkstoffe sind alle gut für Tiefsttemperatur-Anwendungen (bis etwa –270°C) geeignet. Oft ist Kohlenstoffstahl für solche Anwendungen ungeeignet, da er bei niedrigen Temperaturen spröde wird und zu Rissbildung neigt. Im Gegensatz dazu behalten die ausgewählten Edelstähle ihre Duktilität und zeigen unter Tiefsttemperatur-Bedingungen eine hohe Bruchzähigkeit. Für Tiefsttemperatur-Anwendungen werden daher im Allgemeinen die kohlenstoffarmen „L“-Werkstoffe bevorzugt. In bestimmten Fällen, insbesondere wenn ein geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Belastbarkeit (Hochdruck) gefordert ist, können höher legierte Werkstoffe als Alternative eingesetzt werden – meist Inconel 625.

Stellt Belman 3D-Modelle zur Prüfung der Auslegung bereit?

Auf Wunsch des Kunden entwickelte Belman detaillierte 3D-Modelle der Kompensatorlösungen und stellte sie dem Kunden zur Integration in dessen Gesamtsystemmodell zur Verfügung. Dies ermöglichte dem Kunden eine vollständige und genaue Darstellung der Rohrleitung und ihrer Komponenten, und er konnte die Auslegung überprüfen und optimieren. Durch die Einbeziehung der Kompensatoren in das vollständige 3D-Modell lassen sich mögliche Probleme, etwa Kollisionen, frühzeitig erkennen und beheben. Dies ist besonders wichtig in kompakten Systemen mit begrenztem Platz. In diesem Fall ist die 3D-Verifizierung noch wichtiger, da Tiefsttemperatur-Rohrleitungen in der Regel isoliert oder in größeren Vakuumrohren installiert werden. Für eine zuverlässige und wirtschaftliche Auslegung müssen daher durch 3D-Modellierung eine korrekte Passform und ausreichende Freiräume sichergestellt werden.

Belman – viel Erfahrung mit Kompensatoren für die Raumfahrt

Belman ist ein weltweit anerkannter Hersteller mit über dreißigjähriger Erfahrung in der Auslegung und Fertigung von Hochleistungs-Kompensatoren für anspruchsvolle Wirtschaftszweige. In der Raumfahrt hat Belman durch zahlreiche Projekte in kritischen Anwendungen wie Raketenzuleitungen, Drucksystemen, Tiefsttemperatur-Rohrleitungen und Vakuumumgebungen ein starkes Fachwissen aufgebaut.

Die Lösungen von Belman sind so ausgelegt, dass sie insbesondere bei Tiefsttemperatur-Anwendungen strenge Sicherheitsanforderungen erfüllen und dabei einen zuverlässigen und wirtschaftlichen Betrieb gewährleisten. Mit Einsatzbereichen vom vollständigen Vakuum bis zu sehr hohen Drücken und Betriebstemperaturen von –269°C bis +1000°C liefert Belman Lösungen für manche der anspruchsvollsten Umgebungen. Alle Kompensatoren werden aus hochwertigen Werkstoffen gefertigt, die eine lange Haltbarkeit und Lebensdauer gewährleisten. Jede Lösung ist auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten und verbindet bewährte Konstruktionsprinzipien mit moderner Ingenieurtechnik. Mit diesem Ansatz hat sich Belman als vertrauenswürdiger Partner der Raumfahrt einen Namen gemacht.