Lager in der Luft- und Raumfahrt

In vielen Forschungsprojekten der Luft- und Raumfahrtindustrie kommt es auf ein möglichst geringes Gewicht und platzsparendes Design aller Bauteile bei gleichzeitig extremen Anforderungen an. Diese erfüllen Reali-Slim-Dünnringlager des Eschweiler Antriebsspezialisten Rodriguez.

Forschungsflugzeuge und Marsfahrzeuge: die Einsatzbereiche der Reali-Slim-Dünnringlager von Rodriguez sind nicht immer alltäglich. Wenn es hoch hinausgeht – der Mars ist immerhin 225.300.000 Kilometer von der Erde entfernt – müssen die Lager extremsten Bedingungen standhalten.

Und einen Wartungsmitarbeiter mal eben auf den Mars zu schicken, ist schon gar nicht möglich. Das macht die technischen Anforderungen, die oft an Komponenten für die Luft- und Raumfahrttechnik gestellt werden, außergewöhnlich hoch. Weder hohe Vibrationen, Erschütterungen oder starke Beschleunigungen noch sinkender Luftdruck oder ungewöhnliche Temperaturen dürfen ihre Funktionsfähigkeit beeinträchtigen. Eine weitere zentrale Vorgabe in der Luft- und Raumfahrt lautet: maximale Leistung auf kleinstem Raum bei geringstem Gewicht.

Einsatz im Versuchsflugzeug

Im weltweit ersten von einem Piloten gesteuerten Flugzeug mit Brennstoffzellenantrieb, der Antares DLR-H2, werden Dünnringlager zur Lagerung der Welle des Außenläufer-Elektromotors eingesetzt. Bild: Rodriguez

Im weltweit ersten von einem Piloten gesteuerten Flugzeug mit Brennstoffzellenantrieb, der Antares DLR-H2, werden die Dünnringlager zur Lagerung der Welle des Außenläufer-Elektromotors eingesetzt. Ausgestattet mit einer Sonderbefettung und versehen mit einer beidseitigen Abdichtung bringen die dort verwendeten Lager nur 336 Gramm auf die Waage – Kugelkäfig und Dichtscheiben inklusive – erfüllen aber dennoch alle Sicherheitsanforderungen.

Der Flugversuchsträger basiert auf dem Elektrosegelflugzeug Antares 20E. Die Besonderheit des Antares DLR-H2 im Vergleich zu ähnlichen Forschungsprojekten liegt darin, dass der Segler mit dem Brennstoffzellenantrieb eigenständig starten kann und nicht auf Energie aus den Batterien zurückgreifen muss. Hierfür wurde das Flugzeug mit zwei Außenlastbehältern für Wasserstofftanks und Brennstoffzellensystem unter den dafür verstärkten Flügeln ausgestattet.

Mit zunehmender Höhe sinken Luftdruck und Temperaturen. Dieser Aspekt muss ebenso berücksichtigt werden wie Vibrationen und starke Beschleunigungen bei eventuellen Luftturbulenzen beziehungsweise den unterschiedlichen Flugmanövern. Auch gelten hohe Sicherheitsanforderungen im Flugverkehr.

Daher müssen sämtliche zum Einsatz kommenden Details für den Flugbetrieb spezifiziert werden. Dabei wird auf möglichst wenige, aber hochwertige Komponenten gesetzt. So auch die Lagerungen für den Außenläufer-Elektromotor, der als vergleichsweise dicke, sehr kurz bauende Sonderausführung entwickelt wurde.

An Bord des Halo sind insgesamt fünf Dünnringlager. Als Radiallager in vier- und zwölf-Zoll-Ausführung sowie in zwei vier- und einer 14-Zollausführung als Vierpunktlager ermöglichen sie die Verstellbarkeit in Azimut, Elevation und Bilddrehrichtung des Global Limb Radiation Imager of the Atmosphere (Gloria). Bild: Rodriguez

Die Lager sind so ausgelegt, dass sie den Sicherheitsanforderungen für die Qualifizierung entsprechen und die zuverlässige Funktionalität angesichts der turbulenten Betriebsbedingungen in luftigen Höhen mit großen Temperaturschwankungen dauerhaft gewährleisten.

Der Schmierstoff im Lager darf bei steigender Höhe im Flugbetrieb angesichts der sinkenden Temperaturen nicht zu zäh werden und das Drehmoment beeinträchtigen. Die Lagerstelle selbst ist daher komplett abgedichtet, sodass kein Schmiermittel auf die Wicklung des Motors austreten kann und sichergestellt ist, dass das Schmiermittel dort bleibt, wo es hingehört: im Lager. Damit aber auch keine Verunreinigungen in das Lagerinnere gelangen und der präzise Lauf dauerhaft gewährleistet ist, kommen auch die Dünnringlager selbst in beidseitig gedichteter Ausführung zum Einsatz.

Analyse der Atmosphäre

Ein weiteres Verwendungsgebiet der Lager ist ein Messgerät zur Analyse von atmosphärischen Spurengasen, das im Halo-Forschungsflugzeug (High Altitude and Long Range Research Aircraft) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) zum Einsatz kommt. Mit an Bord: fünf Dünnringlager. Als Radiallager in vier- und zwölf-Zoll-Ausführung sowie in zwei vier- und einer 14-Zollausführung als Vierpunktlager ermöglichen sie die Verstellbarkeit in Azimut, Elevation und Bilddrehrichtung. Um die Messung während des Flugbetriebes präzise durchführen zu können, lieferte Rodriguez die Lager vorgespannt aus.

Die vom Halo erfassten experimentellen Daten sind erforderlich, um ein fundiertes Verständnis der Prozesse, die sich in der Atmosphäre abspielen, zu erlangen. Forschungsflugzeuge wie das Halo spielen dabei eine wesentliche Rolle, denn mit ihnen lässt sich die Lücke zwischen erdgebundenen Beobachtungsstationen und Satelliten schließen. Die fliegenden Labore für Klimaanalysen haben den Vorteil, dass sie sich frei in der Atmosphäre bewegen, komplizierte Instrumente tragen und diese für gezielte Untersuchungen entsprechend positionieren können. Im Vergleich zu Satelliten haben Flugzeugmessungen zudem eine bessere räumliche Auflösung.

Das Halo, als Ergebnis einer Gemeinschaftsinitiative von 31 deutschen Umwelt- und Klimaforschungseinrichtungen, basiert auf dem Ultra-Long-Range-Businessjet Gulfstream G 550. Mit der Reichweite von 8000 Kilometern können alle Regionen von den Polen bis zu den Tropen sowie den abgelegenen Gebieten des Pazifiks abgedeckt werden. Neue Maßstäbe setzt es auch mit einer maximalen Flughöhe von 15 Kilometern sowie einer Nutzlast von rund 3000 Kilogramm.

Zu den Hightech-Systemen an Bord gehört auch ein Instrument, das die Fernerkundungsgruppe am Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre (ICG-1) des Forschungszentrums Jülich in Kooperation mit dem Forschungszentrum Karlsruhe entwickelt hat. Damit können über 15 verschiedene Spurengase in der Atmosphäre aufgezeigt werden. Dieser Global Limb Radiation Imager of the Atmosphere (Gloria) lässt sich in einem um drei Achsen drehbaren Kardanrahmen zur Kompensation von Roll-, Nick- und Gierbewegungen des Flugzeugs an dessen Unterseite im so genannten Belly Pod anbringen. Hier kommen fünf der Dünnringlager zum Einsatz.

Für diesen Spezialeinsatz in luftigen Höhen hat Rodriguez Standardlager applikationsspezifisch modifiziert. Sie wurden vorgespannt, um die Messung während des Flugbetriebes präzise durchführen zu können – ein sensibler Prozess, denn die Leichtgängigkeit darf durch eine Vorspannung nicht beeinträchtigt werden.

Mission to Mars

Ihren spektakulärsten Einsatz finden die Dünnringlager jedoch in der Mars-Mission der Nasa. Sie zählten bereits bei den Mars-Missionen von 2004 (Mars Exploration Rover) und 2008 (Phoenix Mars Lander) zur verbauten Technik und sind auch im Mars-Rover Curiosity an zentralen Stellen im Einsatz: Fünf Duplexpaare der Dünnringlager tragen in den Steuerantrieben der Räder des Rovers und bei der Aufbereitung von Gesteinsproben für die Analyse zur Einsparung an Platz und Gewicht bei.

Bereits für die Phoenix-Mars-Lander-Mission wurde die Hand-Arm-Konstruktion eines Roboters optimiert, sodass sie sich im Weltraum von der Erde aus direkt fernsteuern ließ. Höchste Präzision und strenge Gewichtsreduzierung des Vorgängermodells standen dabei im Fokus. Das System konnte durch konsequente Materialeinsparung um 26 auf 14 Kilogramm reduziert werden. Für die Hohlwelle vom Antrieb wurde ein Lager benötigt, das in den Außendurchmesser des Gelenks passt, aber trotzdem im Innern noch die Kabelführung ermöglicht. Eine Sonderausführung von Dünnringlagern der Ultra-Slim-Reihe war die geeignete Lösung für diese Hightech-Anwendung im All.

Im Betrieb auf dem Mars müssen die Lager sehr hohe Kräfte aufnehmen – zum Durchbrechen der Eisschicht und zum Graben bis in eine Tiefe von etwa 50 Zentimetern wird eine Kraft von mehr als 45 Kilogramm benötigt. Die Lager sind aus wärmebehandeltem 440C-Edelstahl gefertigt, der zusätzlich noch gehont wurde, um eine extrem glatte Oberfläche und ein besseres Laufverhalten zu erreichen. Eine zusätzliche Wärmebehandlung ermöglicht den Einsatz bei extremer Kälte, denn die Gelenke des Roboterarms sind für eine Temperatur von bis zu minus 108 °C ausgelegt. Dementsprechend sind die Lager mit Spezialschmierstoff mit niedriger Ausgasung befettet, der bei großer Kälte nicht zu zäh wird und in der dünnen Atmosphäre nicht verdampft.

jl
Autorin: Nicole Dahlen, Rodriguez

Hintergrundwissen

Seit August 2012 erforscht der Mars Rover Curiosity die Marsoberfläche. Bild: Rodriguez

Marsmissionen

Ältere und laufende Missionen

Mars Exploration Rover: Im Rahmen der Mission wurde 2004 ein Rover-Zwillingspaar – Spirit und Opportunity – auf dem Mars ausgesetzt, die unabhängig voneinander die Oberfläche des roten Planeten erkunden sollen. Das vorrangige Ziel, Wasservorkommen auf dem Mars nachzuweisen, ist Opportunity bereits sehr früh gelungen.

Aufgrund der Entfernung zur Erde ist keine direkte Steuerung der Rover möglich, deshalb ist die Software-Steuerung der Fahrzeuge intelligent genug, automatisch Ziele anzufahren und Hindernissen auszuweichen. Obwohl die Mission jeweils nur auf 90 Sols (Marstage) ausgelegt war, funktioniert Opportunity nach über 4000 Sols (Mai 2015) weiterhin. Spirit ist seit Mai 2011 nicht mehr in Betrieb.

Phoenix Mars Lander: Phoenix ist eine stationäre Raumsonder der Nasa, die den Mars am 25. Mai 2008 erreichte und dort bis zum 2. November 2008 seine Arbeit verrichtete. Genau wie Spirit und Opportunity, erkundete auch die stationäre Sonde die geologische Beschaffenheit des Planeten und lieferte erneute Beweise für Wasservorkommen auf dem Mars.

Mars-Rover Curiosity: Curiosity ist seit dem 6. August 2012 auf dem Mars unterwegs und mit Instrumenten ausgestattet, mit denen Daten zum Gestein, der Atmosphäre und der Strahlung auf dem roten Planeten gesammelt weden sollen. Daten, die benötigt werden um festzustellen, ob der Planet jemals bewohnbar war oder es vielleicht sogar noch ist. Geplant war, dass der Rover 687 Tage in Betrieb ist; die hat er bereits weit überschritten.

Das soll die Zukunft bringen

Orion: Ende 2014 ist das Raumfahrzeug bereits geflogen, jedoch unbemannt und lediglich im Orbit der Erde – vier Stunden und 24 Minuten lang. Wieder unbemannt, aber immerhin bis zum Mond, wird das Raumfahrzeug Ende 2018 fliegen. Bis es das erste Mal in den bemannten Einsatz kommen wird, werden wir uns noch bis 2021 gedulden müssen. Dann geht es inklusive Besatzung in Richtung Mond. Ein Datum für den Start zum ambitioniertesten Ziel, ein Flug bis zum Mars, ist noch nicht bekannt.