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O+P Fluidtechnik 3/2017

O+P Fluidtechnik 3/2017

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG ANTRIEBE HUB- UND NIVELLIERZYLINDER FÜR NASA-RAKETENTRANSPORTER Ingo Rühlicke Für den Transport ihrer Raumschiffe von der Montagehalle zu den Startrampen am Kennedy Space Centre in Florida setzt die NASA zwei spezielle Transporter ein. Die aktuell in der Entwicklung befindlichen Orion-Raumschiffe machten eine Nutzlasterhöhung der Transporter um plus 50% erforderlich. Um dies zu gewährleisten, hat die Firma Hunger Hydraulik neue Hub-, Ausgleich- und Nivellierzylinder (Jacking, Equalizing and Levelling Cylinder – JEL Cylinder) entwickelt und gebaut. Diese ermöglichen die erhöhte Ladekapazität, weisen aber auch eine Reihe von Verbesserungen in Bezug auf Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit auf. Nach der technischen Genehmigung und Abnahme wurden die JEL-Zylinder in einem eigens entwickelten dynamischen Lastprüfstand bis an die Leistungsgrenze getestet und anschließend weitere Tests in den NASA-Transportern selbst durchgeführt. 38 O+P Fluidtechnik 3/2017

ANTRIEBE Die beiden NASA-Transporter am Kennedy Space Centre wurden in den Jahren 1963 bis 1965 gebaut und ermöglichten den Transport einer Startplattform mit aufgebauter Saturn-V-Rakete und montiertem Apollo- Raumschiff von der Montagehalle zu einer der Startrampen. Später wurden die Transporter für die Spacelab, die Apollo-Sojus und für alle Space-Shuttle-Missionen genutzt. Für diese Aufgabe wurden die Transporter mit acht Raupenketten, von denen je zwei in einem Fahrwerk angeordnet sind ausgestattet. Die technischen Daten sind mit einer Länge von 40 m, einer Breite von 35 m und mit einer ursprünglichen maximalen Lastkapazität von 6000 t beeindruckend. Das Hub- und Nivelliersystem (JEL) besteht aus 16 einfachwirkenden Hydraulikzylindern, von denen je 4 in einem Fahrwerk angeordnet sind. Mit diesem Hub- und Nivelliersystem kann eine komplette Startplattform mit aufgebautem Raumschiff von ihrer Position in der Montagehalle angehoben, während der Fahrt ausnivelliert und schließlich auf der Startrampe abgesetzt werden. Um all diese Funktionen zu realisieren haben die JEL-Zylinder einen maximalen Hub von 2 m, der auch ausreicht, um den Steigungswinkel von 5° bei der Auffahrt auf die Startrampe auszugleichen. Für die erforderliche Freigängigkeit beim Lenken und Nivellieren waren die originalen JEL-Zylinder mit sphärischen Lagern an Stangenende und Zylinderboden ausgestattet. Die Lasthaltung und Positionskontrolle wurde durch je ein Steuerventil pro JEL-Zylinder realisiert, wobei es bereits möglich war, im Störfall einen einzelnen Zylinder abzuschalten und die Last mit den verbliebenen Zylindern abzustützen. Bild 01 zeigt die Einbausituation der originalen JEL- Zylinder in einem Fahrwerk. Die Hydraulikanlage für alle Fahrwerke ist zentral im Transporter angeordnet. Jetzt, nach 50 Jahren im Einsatz, wurden beide Transporter komplett überholt und bei dieser Gelegenheit wurde die Lastkapazität einer der beiden Transporter um plus 50% erhöht. Dazu mussten neben Anpassungen an der tragenden Struktur auch die JEL-Zylinder erneuert werden. Diese Modifikationen werden es der NASA ermöglichen, die Transporter weiterhin für bemannte Raumflüge in den nächsten 20 Jahren einzusetzen [1]. AUFGABENSTELLUNG Die Spezifikation für die neuen JEL-Zylinder wurde von der NASA ausgearbeitet, aber es wurden auch einige Vorschläge von Hunger Hydraulik bezüglich des Design-Konzeptes berücksichtigt. Neben der Lasterhöhung lag das Augenmerk vor allem auf einer Verbesserung der Zuverlässigkeit und der Sicherheit des JEL-Systems. Die Hauptanforderungen umfassten demnach: n Lasterhöhung des JEL-Systems um plus 50% unter Berücksichtigung der vorhandenen hydraulischen Versorgung mit gegebenen hydraulischen Drücken und Volumenströmen, n Verwendung der gleichen Einbauräume und der gleichen Montage punkte für die neuen JEL-Zylinder, n Verbesserung der sphärischen Lagerung, n mehrstufiges Sicherheitskonzept für die hydraulische Lastabsicherung, n einfachere Installation und Handling der JEL-Zylinder, n verbesserter Korrosionsschutz für die Kolbenstangen in der Marine atmosphäre am Kennedy Space Centre, n Entwicklung und Bau eines dynamischen Prüfstandes für die JEL- Zylinder, welcher eine Prüfung unter Volllast ermöglicht. Basierend auf diesen Anforderungen wurde eine Risikoanalyse sowohl für die existierenden als auch für die neu zu bauenden JEL- Zylinder durchgeführt und die Auswirkung verschiedener Störungen, wie beispielsweise Ausfall der Hauptdichtung, Bersten der Druckleitung oder Versagen eines sphärischen Lagers analysiert. 01 Einbausituation der alten JEL- Zylinder in einem Fahrwerk Dabei konnte herausgestellt werden, dass das neue JEL-Zylinderdesign das Systemverhalten deutlich verbessert und damit sichergestellt werden kann, dass die Transportaufgabe ohne erhöhtes Risiko abgeschlossen werden kann. DESIGNLÖSUNG FÜR DIE NEUEN JEL-ZYLINDER Es wurde ein Zylinderdesign entworfen und der NASA vorgestellt, welches sämtliche oben genannten Anforderungen erfüllen kann. Nach umfassender Überprüfung und einer vorläufigen Freigabe wurden zwei Prototyp-Zylinder gebaut, um deren Herstellbarkeit, Leistungsfähigkeit und Qualität zu beurteilen. Später erst, nachdem alle erforderlichen Tests erfolgreich absolviert worden sind, wurden die Einsatzzylinder für den erste Transporter gefertigt. Die neuen JEL-Zylinder wurden nach ASME-Standard konstruiert und berechnet und mit geflanschtem Kopf und Boden für eine einfache Wartung ausgeführt. Um die 50%ige Lasterhöhung bei gleichem Systemdruck zu realisieren, musste der Zylinderdurchmesser erhöht werden, wobei gleichzeitig der vorhandene Einbauraum in dem Transporter berücksichtigt werden musste. Anstelle der ursprünglichen sphärischen Lager mit Bolzen und Gabelbefestigung wurden jetzt wartungsfreie Kugelgelenklager vorgesehen. Zusätzlich wurden diese für ein einfaches Handling mit Adapterplatten mit Schnellmontagekupplungen ausgestattet. Die ursprünglich in die Rohrleitung integrierten Sicherheitsventile wurden durch auf die JEL-Zylinder geflanschte hydraulische Sicherheitsblöcke ersetzt. Obwohl auch die neuen JEL-Zylinder die Last lediglich gegen die Gravitation heben und senken müssen, wurde dennoch ein doppelt wirkendes Zylinderdesign gewählt, da dies einige Vorteile gegenüber den ursprünglich einfach wirkenden Zylindern bietet. Einerseits ist jetzt die druckbelastete Dichtung die Kolbendichtung, welche beidseits von der gefilterten Hydraulikflüssigkeit umgeben und damit besser vor äußeren Einflüssen geschützt ist. Andererseits kann die ja trotzdem vorhandene Kolbenstangendichtung als sekundäre Notdichtung verwendet werden, wenn der betreffende JEL-Zylinder im einfach wirkenden Notbetrieb, der durch eine spezielle Schaltung im Sicherheitsblock realisiert wird, betrieben wird. Um diesen Notbetrieb zu aktivieren muss bei einer Störung lediglich das entsprechende Ventil (cylinder recon- O+P Fluidtechnik 3/2017 39

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