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Wissenschaftlicher Ergebnisbericht / Scientific Report 2004
Schwerpunkt / main research area Umwelt / Environment FE-Vorhaben /
RD project U01
Erde und Umwelt Institutsbeitrag / institute's contribution
Zentralabteilung Technologie / Central Technology Division (ZAT)
Verantwortlich / in charge Dr. R. Sievering Email:
[email protected] HGF-Forschungsbereich / Research Field
Earth and Environment HGF-Programm / Programme Atmosphere and
Climate HGF-Thema / Topic The Stratosphere in a changing
environment Internet www.fz-juelich.de/scientific-report
Detailergebnisse / Details
FZJ - Wissenschaftlicher Ergebnisbericht - Scientific Report
2004 Details U01 ZAT 553 Seite / page 1 von / of 4
1. Kryostat CRISTA-NF Das Projekt CRISTA-NF (CRyogenic
Infrarot-Spectrometers and Teleskope for the Atmosphe-re-New
Frontiers) dient zur Untersuchung der Ver-teilung von Spurengasen
(H2O, O3, N2O, F11 in der oberen Troposphäre und unteren
Stratosphäre mit Hilfe eines Infrarot Spektrometers. CRISTA wurde
ursprünglich von der Bergischen Universität Wuppertal als
Satelliten-Instrument konzipiert [I], und bei zwei Flügen mit dem
Space Shuttle sehr erfolgreich eingesetzt. In einer Kooperation des
Forschungszentrums Jü-lich mit der Bergischen Universität Wuppertal
wurde das Hauptteleskop für den Einsatz auf dem
Höhenforschungsflugzeug M55-Geophysica modi-fiziert. Dies
erforderte die Neukonstruktion eines kom-pakten und leichten
Kryostaten, (Gewichtsredukti-on von 1700 kg auf 350 kg ) sowie den
Aufbau einer neuen Steuerungs- und Datenerfassungs-elektronik. Das
neue Instrument CRISTA-NF wird in einer Ladebucht im Rumpf der
Geophysica eingesetzt. Um die größtmögliche Flexibilität zu haben
wurde CRISTA-NF so ausgelegt, dass es in beide Bays der Geophysica
passt. Besondere Anforderungen an die Werkstoffe er-gaben sich aus
der niedrigen Betriebstemperatur des Kryostaten (5K) sowie aus den
Randbedin-gungen des Einsatzes im Höhenflugzeug hinsicht-lich des
Gesamtgewichtes und der Schwerpunkts-lage. Darüber hinaus erfordert
die zuverlässige Funkti-on des Gesamtinstrumentes eine sehr saubere
Umgebung bei der Montage insbesondere für die CRISTA-NF Optik.
Durch den Zusammenbau der Optik und des Kryostaten in einem
Reinraum der Klasse 100 wird die Partikelkontamination der
einzubauenden Bauteile vermieden.
1.1 Konstruktion und Aufbau von CRISTA-NF Die konstruktive
Auslegung, die Berechnungen sowie die Fertigung und die Montage
wurden von der ZAT durchgeführt. Nach Abschluss der Kon-zept- und
Planungsarbeiten, wurden die Detail-konstruktionen und
Fertigungszeichnungen für al-le Komponenten des Kryostaten
erstellt. Konstruk-tionsbegleitend waren statische und dynamische
Berechnungen der kritischen Komponenten wie glasfaserverstärkter
Konus (GFK-Konus), Vaku-umbehälter und Heliumtank, notwendig.
CRISTA-NF besteht aus den drei folgenden Hauptbaugruppen:
• dem Kryostaten, mit dem Heliumvorratsbe-hälter und den
erforderlichen Sicherheitsein-richtungen in einer geschlossenen
Vakuum-hülle aus Aluminium,
• der Optik, bestehend aus dem Teleskop, dem Spektrometer und
den Detektoren
• der Elektronik zur Erfassung und Speicherung der
Messdaten.
Die Bilder 1.1 und 1.2 zeigen den Gesamtaufbau von
CRISTA-NF.
Bild 1.1: CRISTA-NF Aufsicht
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Bild 1.2: CRISTA-NF Längsschnitt Der CRISTA-NF Kryostat nimmt
die Optik auf und kühlt diese auf tiefe Temperaturen, wodurch die
Eigenemission der Optikbauteile und das thermi-sche Eigenrauschen
der Halbleiterdetektoren un-terdrückt wird. Die Kühlung der Optik
erfolgt über einen Kryostat mit einem Heliumkühlsystem. Die Optik
und das Kühlsystem sind in einer Vakuum-hülle untergebracht. Der
kryogene Teil des CRISTA-NF Kryostaten ist über einen GFK-Konus
thermisch isoliert an der Vakuumhülle aufgehängt. Der GFK-Konus
überträgt alle internen Lasten di-rekt auf den Adapterring der
Vakuumhülle. Zur Befestigung des abgasgekühlten
Streulichtblen-densystems (OVCB), das sich zwischen dem Te-leskop
und dem ZnSe Fenster befindet, werden ebenfalls Rohre aus GFK
verwendet. Der Helium-tank wird als Druckbehälter mit einem
Leck-vor-Bruch Fehlermodus behandelt. Der nominelle Be-triebsdruck
beträgt 2,9 bar. Der maximale Be-triebsdruck ist durch die am
Heliumtank ange-brachte Berstscheibe begrenzt und beträgt 4,3 bar.
Der Tank hat ein Volumen von ca. 125 Liter und soll den Einsatz auf
der Geophysica an zwei auf-einander folgenden Tagen ohne Nachtanken
er-möglichen. Der Heliumtank bestehend aus einem Zylinder mit
beidseitig angeschweißten Klöpper-böden ist über eine zylindrische
Verlängerung aus Aluminium (Hohlzylinder mit Bohrungen zur
Ge-wichtseinsparung) mit dem hinteren Flansch des GFK Konus
verbunden. Die Optik ist über eine Grundplatte gut wärmeleitend mit
dem Tank an-gekoppelt. Das Rohrleitungssystem des Helium-tanks
besteht aus der Füllleitung, die gleichzeitig als
Sicherheitsleitung fungiert, und der Abgaslei-tung. Die
Abgasleitung ist mit dem inneren Strah-lenschild (IVCS) und dem
Streulichtblendensys-tem (OVCB) verbunden, um eine ausreichende
Kühlung dieser Bauteile sicherzustellen. Ver-schlossen wird die
Abgasleitung durch zwei paral-lel geschaltete Komponenten: Dem
Abgasventil TCV13 und dem mechanischen Regelventil MV11. Das
Füllventil TCV11 und das Abgasventil TCV13 dienen als Schnittstelle
zu den Verbin-dungsleitungen während des Tankens und sind während
des Fluges verschlossen. Das druckge-steuerte Tieftemperaturventil
CPV21 wird nur während des Tankens geöffnet.
Bild 1.3: CRISTA-NF Heliumkühlsystem Die innere Thermalisolation
besteht aus dem ab-gasgekühlten Strahlenschild (IVCS) und einer
mehrlagigen Superisolation (Multi Layer Insulati-on: MLI) zur
Reduzierung der Wärmestrahlung. Das IVCS (1,5 mm dickes
Reinaluminiumblech Al 99,5) umgibt das komplette Heliumsystem. Die
Superisolation besteht aus 6 µm starken Polyester (Mylar) als
Träger, der beidseitig mit Reinalumini-um mit einer Schichtdicke
von 400 X �bedampft ist und einem Polyestergewebe mit einer
Maschen-weite von 1,5 mm als Zwischenlage zwecks ther-mischer
Isolierung. Die Vakuumhülle mit den vier Federdämpfungs-elementen
zur Befestigung in der Geophysica-Bay stellt die äußere Struktur
des Instruments dar und dient als Gehäuse für die CRISTA-NF Optik
und das Heliumsystem. Ein optisches ZnSe Fenster, das in
Flugrichtung auf der rechten Seite der Va-kuumhülle eingebaut ist,
erlaubt den Eintritt der Infrarotstrahlung aus der Atmosphäre in
das Tele-skop. Die Berstscheibe RD02 mit einem nominel-len
Ansprechdruck von 0,4 bar verhindert bei einem Leck im Heliumsystem
die Entstehung eines Überdrucks innerhalb der Vakuumhülle. Bei
Aktivierung der Berstscheibe während des Fluges wird der Gasstrom
durch ein Abgasrohr aus der Ladebucht des Flugzeugs geleitet. Der
zylindrische Teil der Vakuumhülle ist vorne (in Flugrichtung) durch
den Klöpperboden an dem auch die Berstscheibe angeordnet ist, mit
einem O-Ring vakuumdicht verschlossen. Der hintere Teil der
Vakuumhülle wird von einer ebenen dün-nen und mit Stegen verstärkte
Endplatte mit einem O-Ring vakuumdicht verschlossen. Die Forderung
nach Gewichtsminimierung bzw. des Sicherheitsnachweises erforderten
zahlreiche konstruktive und rechnerische Untersuchungen zur
Optimierung der Vakuumhülle.
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An der Endplatte (Kryostatdeckel) ist der soge-nannten
Elektronikcontainer (CEC) befestigt in dem die komplette Elektronik
eingebaut ist. Der CEC besteht aus einem Haltering und einer
Alu-miniumabdeckung und ist durch O-Ringe gedich-tet. Die
Elektronikverbindung zum Inneren des Kryostaten werden mit
vakuumdichten Steckern durch die Endplatte geführt. Zwei
druckgesteuerte Ventile begrenzen den Differenzdruck zwischen
Elektronik und Atmosphäre auf maximal 0,1 bar. Die Elektronik
übernimmt die Steuerung des In-struments, die Signalverarbeitung
und die Daten-aufzeichnung. Sie überwacht die Temperaturen und
Drücke, steuert die Tieftemperatur-Elektro-motoren und die
elektrischen Heizer. Sie besteht aus einem Computersystem und
elektronischen Schaltungen in verschiedenen Boxen. Diese Bo-xen
sind in einen Haltering montiert. Außerdem befinden sich auf dem
Haltering die Strom- und Signalverbindungen zum Flugzeug.
Bild 1.4: CRISTA-NF Vakuumhülle mit Elektronikdummy auf dem
Rütteltisch bei der DLR in Berlin 1.2 Berechnungen von CRISTA-NF
Komponenten (Mechanische Auslegung) Schwerpunkt der mechanischen
Auslegung war zum einen der Heliumtank, der der
Druckbehäl-terverordnung unterliegt, die Vakuumhülle, sowie der
Konus aus glasfaserverstärktem Kunststoff zur Befestigung der
Optik. Der Heliumtank und die Vakuumhülle wurden in der ZAT
ausgelegt, die mechanische Auslegung (Festigkeit und zulässige
Verformung) des GFK-Konus erfolgte durch das Institut für
Kunststoffverarbeitung (IKV) der RWTH-Aachen, das auch das Wickeln
des GFK-Konus übernommen hat. Die Konstruktion des GFK-Konus wurde
im Hin-blick auf die Faser-Orientierung und die Wanddi-cke
optimiert. Als Grundlage diente die intensive Analyse und das
Testprogramm für diese Ver-bundwerkstoffstrukturen, die bereits im
Rahmen der zwei Space-Shuttle Missionen durchgeführt wurden. Der
Konus wurde mit einer Faserorientie-rung von 21° und eine Wanddicke
von 2,5 mm ausgeführt.
Der Heliumtank war für einen inneren Überdruck, der durch die
eingesetzte Berstscheibe auf 4.3 bar begrenzt ist, auszulegen. Die
Vakuumhül-le muss für einen äußeren Überdruck von 1 bar und die
während eines Fluges auftretenden Be-schleunigungskräfte ausgelegt
werden. Hierbei ist insbesondere die Auslegung gegen Beulen für den
zylindrischen Mantel und den Klöpperboden von Bedeutung. Bei einem
Störfall kann es im Be-hälter zur Freisetzung von Helium und einen
da-mit verbundenen Druckanstieg kommen. Der Überdruck im Behälter
ist durch eine Berstscheibe auf 0.4 bar begrenzt. Für diesen
inneren Über-druck war zu zeigen, dass der Behälter und
ins-besondere die Schrauben der Flanschverbindun-gen nicht
überbeansprucht werden. Die analytischen Nachweise entsprechend der
Regelwerke AD 2000 Merkblatt und DIN 18800 wurden durch numerische
Berechnungen mittels der Methode der Finiten Elemente ergänzt. Es
wurden unter anderem detaillierte Berechnungen zum Beulverhalten
der Vakuumhülle, unter Be-rücksichtigung von fertigungsbedingten
Imperfek-tionen und nichtlinearem Materialverhalten, durchgeführt.
Bild 1.5 zeigt beispielhaft das Beul-verhalten der Vakuumhülle, das
anhand einer transienten Berechnung bei einem stark überhöh-ten
äußeren Überdruck ermittelt wurde.
Bild 1.5: Verformte Vakuumhülle nach 10µµµµs bei einem äußeren
Überdruck von 10 bar In Bild 1.6 ist das Ergebnis einer statischen
Berechnung zum Klöpperboden der Vakuumhülle im Betriebszustand
dargestellt. In dieser Berech-nung sind die Schrauben des Flansches
mit der entsprechenden Vorspannung berücksichtigt, so dass für alle
zu unterstellenden Lastfälle die Be-anspruchung der Schrauben
detailliert ausgewer-tet werden konnte.
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Bild 1.6: Verformung des Klöpperbodens in mm bei einem äußeren
Überdruck von 1bar Zusätzlich zu den beschriebenen Berechnungen
wurde das Schwingungsverhalten des Instrumen-tes untersucht. Hierzu
wurden im Vakuumbehälter die Hauptkomponenten gewichts- und
schwer-punktsmäßig durch Dummies nachgebildet. Der Vibrationstest
erfolgte im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in
Berlin (Bild 1.4). Das Ergebnis zeigte, dass es Resonanzbereiche
gab, bei denen der Toleranzbereich der Amplitude bei einigen
Frequenzen peakförmig überschritten wurde. Bei den deutlich höheren
Testamplituden (ca. 6 g, bei Frequenzen von 10 Hz, 30 Minuten lang
auf jede Achse), gegenüber den Amplituden bei nor-malen
Flugbedingungen (< 2 g) bedeutet dies je-doch keinen kritischen
Zustand für die Komponen-ten des Instrumentes. Bei einer visuellen
Überprüfung der Komponenten nach dem Test konnten keine
Beschädigungen festgestellt werden. 1.3 Fertigung und Erprobung des
Instrumentes Alle Teile des Kryostaten, des Elektronikcontai-ners,
des abgasgekühlten Streulichtblendensys-tems (OVCB) sowie die
verstellbare Halterung des Umlenkspiegels, wurden von der ZAT
gefer-tigt. Die Einhaltung der engen Toleranzen erfor-derte einen
hohen Vorrichtungsaufwand. Die Schweißnähte des dünnwandigen
Behälters (3mm Wandstärke aus AlMg4,5Mn), der dünn-wandigen
Aluminiumrohre (0,5 mm) sowie des abnahmepflichtigen Heliumtankes
aus AlMg4,5Mn, erforderten wegen der geforderten
Sicherheitsnachweiße und der Leckraten