Разработка цельнокомпозитного сферического криотанка без вкладыша

Ракеты-носители для космических путешествий требуют много топлива и много топлива для хранения. Типичное ракетное топливо, такое как кислород, водород и азот, можно хранить в виде газов при комнатной температуре, но поскольку газы имеют относительно низкую плотность, для хранения достаточного количества газового топлива для запуска в космос потребуются очень большие резервуары, увеличивающие вес космического корабля и ограничивающие его грузоподъемность. Таким образом, эти пропелленты в идеале хранятся с более высокой плотностью в виде жидкостей, что позволяет использовать для их хранения все меньшее и меньшее количество резервуаров, но многие обычные пропелленты необходимо охлаждать до сверхнизких температур (также известных как криогенные и обычно относящиеся к температуры ниже -150 ° C или -238 ° F), чтобы существовать в жидком виде.

С этой целью в апреле 2020 года компания Infinite Composites Technologies (ICT, Талса, Оклахома, США) объявила о разработке сферического цельнокомпозитного криотанка без лайнеров - сосуда под давлением для хранения криогенного топлива на ракетных космических носителях.

Сосуды высокого давления без вкладыша, также известные как Тип V, долгое время были целью при разработке резервуаров высокого давления из углеродного волокна. Традиционно сосуды высокого давления типов с I по IV включают, по крайней мере, некоторый процент металла, по крайней мере, в качестве футеровки между хранящимся газом или жидкостью и композитным внешним видом (тип IV). Исключение металлических компонентов значительно снижает вес бака, что приводит, в случае баков для хранения топлива для космических кораблей, либо к снижению затрат на запуск корабля, либо к увеличению полезной нагрузки.

Однако полностью композитные конструкции для криогенного топлива, такого как жидкий азот или жидкий кислород, имеют тенденцию вызывать неуловимую проблему микротрещин в ламинате. Поскольку композитный ламинат подвергается воздействию экстремальных температур, таких как охлаждение до криогенных уровней, разница в коэффициентах теплового расширения (CTE) между каждым слоем может привести к растрескиванию и утечкам. Многие полимерные системы также становятся хрупкими при криогенных температурах, что усугубляет проблему. По словам генерального директора ICT Мэтта Вильярреала, Infinite Composites Technologies разработала криотанк без лайнеров, который устраняет проблемы с микротрещинами.

По словам Вильярреала, цельнокомпозитные криогенные резервуары для хранения - сферические, в частности, из-за их меньшей занимаемой площади - многие считают ключевой технологией для долгосрочных исследований и выживания в космосе. Хотя многие лунные аппараты, разрабатываемые космическими агентствами, такими как НАСА, имеют конструкцию сферических резервуаров, по его словам, до сих пор все сферические резервуары были более тяжелыми, менее экономичными металлическими сферами или сферическими металлическими сосудами высокого давления с композитной оболочкой (COPV). Цельнокомпозитный резервуар ICT, называемый CryoSphere, предлагает возможности для более легкого и более экономичного варианта хранения топлива.

От гоночных автомобилей до ракет

До того, как криотанки стали частью общей картины, Вильярреал и его деловой партнер Майкл Тейт начали свою карьеру в проектировании композитных сосудов под давлением, когда учились в колледже Государственного университета Оклахомы (Стиллуотер, Оклахома, США). В 2008 году они присоединились к небольшой школьной команде Formula SAE, которая работала над дизайном автомобиля в стиле Формулы-1 размером в четверть, который будет участвовать в предстоящем международном соревновании университетских инженеров и дизайнеров Formula SAE. Чтобы привлечь столь необходимое финансирование от местных газовых компаний, Вильярреал и Тейт помогли переоборудовать автомобиль команды для работы на сжатом природном газе (СПГ), но обнаружили, что цельнометаллический резервуар для хранения СПГ, который они использовали, был настолько тяжелым, что это повлияло на его работу. топливная экономичность до такой степени, что им приходилось заправлять автомобиль много раз в течение 24-часового испытания на выносливость.

«После гонки мы вернулись и провели небольшое исследование и выяснили, что масса резервуара является серьезной проблемой для многих различных отраслей и является ключевой технологией, позволяющей использовать как чистую энергию для транспорта, так и исследования космоса», - говорит Вильярреал.

В ходе исследования технологий, которые позволяют использовать более легкие баллоны для сжатого природного газа, Вильярреал говорит, что он и Тейт начали думать о концепциях композитных резервуаров без гильзы типа V, которые в отрасли провозглашаются «Святым Граалем» сосудов под давлением. Позже, в 2008 году, Вильярреал и Тейт основали компанию под названием CleanNG LLC, которая изначально занималась разработкой резервуаров высокого давления для хранения природного газа. С 2013 года цилиндрический сосуд высокого давления из композитного материала infiniteCPV из углеродного волокна используется в наземных и промышленных приложениях для хранения, как это было изначально спроектировано, сжатого природного газа, а также, во все большей степени, сжатого газа криптона, азота и гелия. .

По словам Вильярреала, по мере того, как компания продолжала работу над дизайном сосуда под давлением, фирмы, строящие космические аппараты, начали обращаться к CleanNG с финансированием исследований и разработок для разработки версий своих резервуаров для использования на космических кораблях. «Через некоторое время бизнес-модель стала более привлекательной для космоса», - говорит Вильярреал.

В 2016 году компания сменила название на Infinite Composites Technologies, и с тех пор ИКТ были сосредоточены в основном на коммерческих космических проектах, хотя Вильярреал говорит, что компания также работает над оборонными приложениями, такими как кожухи ракетных двигателей, а также военные самолеты и беспилотные летательные аппараты. летательные аппараты. В рамках этого перехода конструкция цилиндрического танка с бесконечным CPV была интегрирована в несколько ракет-носителей, запуск которых ожидается в 2020 году.

По словам Вильярреала, CryoSphere - это, по сути, эволюция оригинального резервуара с бесконечным CPV.

Разработка криосферы

По мере того, как ИКТ все больше и больше смещались в сторону потребностей космических аппаратов, Вильярреал говорит:«Мы начали замечать тенденцию, заключающуюся в том, что реальной проблемой было создание композитных криобанков». Криогенные резервуары или криобаки - это сосуды под давлением, специально разработанные для того, чтобы выдерживать не только высокое давление, но и экстремально низкие температуры, такие как температуры ниже 200 ° F, необходимые для хранения жидкого азота, жидкого кислорода, жидкого метана или других видов топлива и окислителей. для питания космических ракет-носителей.

Компания подала заявку на финансирование от штата Оклахома и получила трехлетний грант в размере 300 000 долларов от Центра развития науки и технологий (OCAST) в 2013 году для определения характеристик материалов и испытаний на уровне материалов концепции криотанка. «Проект был умеренно успешным, - говорит Вильярреал. «Мы нашли несколько хороших кандидатов на материалы и убедились, что можем продвинуться вперед с концепцией и начать подавать заявки на другие вещи».

ICT представила свою концепцию криотанка Космическому центру НАСА имени Джонсона (Хьюстон, Техас, США) в 2018 году, а затем приступила к проекту быстрой разработки композитного криотанка, который будет использоваться в демонстрационном аппарате лунного посадочного модуля - транспортном средстве, которое, по словам Вильярреала, было похожим на к предыдущему Морфеусу НАСА испытательный автомобиль с вертикальным взлетом и вертикальной посадкой (ВТВЛ). Требования к характеристикам резервуара включали способность выдерживать 10 циклов подачи жидкого азота (LN2) под давлением 100 фунтов на квадратный дюйм, включая падение температуры до -290 ° F, а затем обратно до температуры окружающей среды. Кроме того, резервуар не мог упасть более чем на 10 фунтов на квадратный дюйм во время 30-минутной проверки содержания гелия между каждым циклом LN2, и он должен был выдержать послекурсовый крио-взрыв давлением 1000 фунтов на квадратный дюйм (± 100 фунтов на квадратный дюйм).

Первый этап испытаний цилиндрического криобанка был частичным успехом, выдержав всего пять криогенных циклов. «Мы ускорили проект и полностью изменили дизайн примерно за восемь недель», - говорит Вильярреал. «Это была безумная гонка, - признает он, - и резервуар пережил пару термических циклов, но затем он начал протекать». Проблема заключалась в микротрещинах в ламинате. Команда завершила тестирование, а затем «вернулась к чертежной доске», - говорит Вильярреал.

«Основная технология заключается в материалах, - говорит Эфрен Лювано, технический менеджер ICT. Криосфера изготовлена ​​из углеродного волокна Toray (Токио, Япония) T800 и эпоксидной смолы, изготовлена ​​методом намотки нитей, отверждена при комнатной температуре и пост отверждена в промышленной печи (в отличие от автоклава) на предприятии ICT в Талсе.

Пытаясь решить дилемму микротрещин, ICT приступила к итеративным испытаниям нескольких типов добавок в запатентованной матрице из химически упрочненной эпоксидной смолы в различных концентрациях. В процессе работы команда обнаружила комбинацию двух добавок, которая при повторном испытании резервуара позволила конструкции удовлетворить тепловые требования. Один из них - графен.

«В этом случае мы используем графен в качестве механического усиления в наномасштабе», - говорит Вильярреал. Он объясняет, что пластинки графена, поставляемые Applied Graphene Materials (Кливленд, Великобритания), растягиваются через пространство между волокнами и создают препятствие для образования трещин в ламинате. Графен также улучшает прочность связей между слоями.

«Что вы пытаетесь сделать, так это удерживать волокна на месте, когда вы создаете давление в резервуаре и прикладываете нагрузку к резервуару», - объясняет Вильярреал. По его словам, при низких температурах смола становится хрупкой и начинает разрушаться - когда к волокнам добавляется давление, они начинают скользить друг по другу и разрушать химические связи между ними. Графеновые пластинки действуют как механическое усиление между слоями волокон, уменьшая вероятность смещения и разрушения.

В матрицу также включена дополнительная запатентованная добавка, которая делает ламинат более пластичным при низких температурах и создает более изоляционные свойства ламината. Помимо микротрещин, «[изоляция] является одной из проблем этих криотанков», - говорит Вильярреал. При тестировании новой конструкции CryoSphere, включающей смолу с усиленным графеном, потребовался почти час с жидким азотом, «чтобы показать внешние признаки холода». Хотя особых требований к этому не было, он добавляет, что на предыдущих резервуарах, которые они тестировали с жидким азотом, на внешней поверхности резервуара образовался иней в течение 10 минут после заполнения резервуара жидким азотом.

Помимо совместимости с криогениками, Лювано добавляет, что сферическая конструкция сама по себе была проблемой. Согласно Вильярреалу, преимущество сферической формы состоит в том, что она обеспечивает лучшую эффективность упаковки для приложений с жесткими или специфическими требованиями к размеру, таких как лунные посадочные аппараты. Однако одна проблема заключалась в том, что вероятность проскальзывания во время производства была больше на сферической поверхности по сравнению с цилиндрической, что, по словам Вильярреала, было связано как с необходимым углом намотки, так и с тем, что обработка поверхности на оправке не создавала достаточного трения для сохранения мокрые пропитанные волокна на месте - и то, и другое затрудняло контроль волокна и укладку. Еще одна проблема заключалась в том, что программное обеспечение для проектирования шаблонов, которое использовала команда, было оптимизировано для цилиндров и не могло генерировать возможные шаблоны для сферы с использованием обычного рабочего процесса. «Нам пришлось проявить творческий подход к обходным путям», - добавляет он.

Сферический дизайн также помог решить проблему микротрещин, что, по словам Вильярреала, является непреднамеренным преимуществом. На ранней стадии разработки проекта команда поняла, что разница температур между дном и верхом резервуара составляет около 150 ° F, вызванная часовым процессом заполнения, когда жидкий азот находится на дне половины резервуара. бака при -290 ° F, в то время как газообразный азот, заполняющий верхнюю половину, был только при -140 ° F. «Когда вы получаете очень резкие перепады температуры в ламинате, это может вызвать трещины, потому что одна часть пытается растягиваться с другой скоростью, чем другая», - говорит Вильярреал. Этот градиент между верхней и нижней частью резервуара уменьшается за счет меньшей сферической формы, что помогает уменьшить разницу температур.

В конце 2019 года компания ICT подписала контракт с Космическим центром Кеннеди НАСА (мыс Канаверал, Флорида, США) на поставку для испытаний двух сферических криогенных резервуаров, размер которых вдвое меньше цилиндрического Morpheus спускаемые танки. «Наши КриоСферы завершили все испытания теплового цикла с проверками гелия между каждым циклом, чтобы убедиться, что микротрещины не возникли», - говорит Вильярреал. «Насколько нам известно, - добавляет он, - за этот контракт боролись еще три поставщика, но к тому времени, когда мы завершили тестирование, ни один из других поставщиков еще даже не создал свои первые прототипы».

Следующие шаги к космическому полету

Испытания продолжаются. ICT также получила финансирование для программы НАСА MISSE, которая запускает материалы на Международную космическую станцию ​​(МКС) в экспериментальных целях. Для этого компания ICT создала сферы диаметром два с половиной дюйма - размер, разработанный в первую очередь для целей тестирования, но, как добавляет Вильярреал, можно использовать в таких приложениях, как пневматические системы для роботов. «Они странно выглядят как крошечные гранаты», - отмечает он. Компания ICT доставила пять таких криосфер в Центр перспективных исследований НАСА в Лэнгли (Хэмптон, Вирджиния, США) в феврале 2020 года. Запуск MISSE на МКС изначально планировался на август 2020 года, но, по словам Вильярреала, отложен, вероятно, до ноября. После доставки на МКС КриоСферы будут размещены снаружи станции и изучены в течение примерно шести месяцев с прикрепленными к ним датчиками излучения, чтобы проверить прочность материалов при воздействии тепла и излучения при движении по орбите вокруг Земли и при прямом воздействии. к солнцу. Если эти испытания пройдут успешно, ICT вернет КриоСферы для дополнительных криогенных испытаний и оценки воздействия радиационного облучения на материалы. Основное беспокойство вызывает то, как могут повлиять химические связи в смоле.

После этого, говорит Вильярреал, следующим шагом будет квалификация на полеты. Он говорит, что компания ICT уже завершила около половины квалификационных испытаний с использованием адаптированной версии стандарта S-081B Американского института аэронавтики и астронавтики (AIAA), и ожидает, что оставшаяся часть испытаний будет завершена к концу третьего. квартал 2020 года.

Компания также планирует увеличить размер резервуара до 48 дюймов в диаметре, размера, указанного для коммерческих лунных посадочных устройств, разрабатываемых НАСА, и работает над партнерством, чтобы отправить Криосферу на Луну.

«Наша команда расширяет границы возможного с цельнокомпозитными резервуарами», - заключает Вильярреал. «Эта технология может произвести революцию в освоении космоса и устойчивом транспорте».