Ein kritischer Druckabfall während des Andockmanövers eines orbitalen Tourismusmoduls gefährdete das Leben mehrerer Zivilisten. Der Vorfall, der auf eine elastische Verformung der Silikondichtungen der Luke zurückgeführt wurde, wurde durch einen extremen Temperaturgradienten zwischen der sonnenbeschienenen Seite (120 Grad Celsius) und der tiefen Schattenzone (-150 Grad Celsius) verursacht. Dieser Artikel schlüsselt den technischen Arbeitsablauf auf, der zur Modellierung, Simulation und Validierung des Fehlers unter Verwendung computergestützter Ingenieurwerkzeuge und optischer Messtechnik eingesetzt wurde.
Modellierung in Catia und multiphysikalische Simulation in Star-CCM+ 🛰️
Der erste Schritt bestand darin, den Silikon-O-Ring und seine Aufnahme in Catia V5 zu rekonstruieren, wobei ein Finite-Elemente-Netz mit nichtlinearem Kontakt definiert wurde. Anschließend wurde das Modell in Siemens Star-CCM+ exportiert, um die Simulation der Wärmeübertragung durch Strahlung und Leitung mit der Strukturanalyse zu koppeln. Auf den Außenflächen wurden Randbedingungen für die Oberflächentemperatur angelegt, wobei ein thermisches Delta von 270 Kelvin zwischen den Enden der Dichtung aufgezeichnet wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass die unterschiedliche Ausdehnung eine elastische Verformung von 0,8 Millimetern im Querschnitt der Dichtung erzeugte, die ausreichte, um einen Mikrokanal für ein Leck zu schaffen. Die Spannungs-Dehnungs-Diagramme zeigten, dass das Material an der Obergrenze seines Elastizitätsmoduls arbeitete, ohne die plastische Fließgrenze zu erreichen, aber dennoch den Verlust des hermetischen Kontakts verursachte.
Metrologische Validierung und Lehren für das Orbitaldesign 🔬
Zur Validierung des Modells wurde eine Dichtung, die im Labor einem beschleunigten Temperaturzyklus ausgesetzt wurde, mit einem GOM Control X Blaulichtscanner gescannt. Die resultierende Punktwolke wurde mit der von Star-CCM+ vorhergesagten verformten Geometrie verglichen, wobei eine mittlere Abweichung von nur 12 Mikrometern festgestellt wurde. Diese Übereinstimmung bestätigte, dass die zyklische thermische Ermüdung der Hauptmechanismus des Versagens ist. Als Designempfehlung wird vorgeschlagen, eine mehrschichtige Isolierung in der Dichtungsaufnahme zu integrieren und auf eine Silikonverbindung mit keramischer Füllung umzusteigen, die den Wärmeausdehnungskoeffizienten reduziert und so die Dichtheit bei zukünftigen bemannten Missionen gewährleistet.
Ist es möglich, die genaue Position des Anfangsrisses in einer Elastomerdichtung unter orbitalen Temperaturzyklen durch eine Finite-Elemente-Analyse mit gekoppelter thermo-mechanischer Ermüdung vorherzusagen, oder verhindert die geometrische Komplexität des Kontakts eine genaue Simulation ohne vorherige physikalische Tests?
(PS: Materialermüdung ist wie deine nach 10 Stunden Simulation.)