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: r.sievering@fz-juelich.de 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

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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