Модуль углепластика снижает вес конструкции ракеты

«Амбициозность» может быть преуменьшенной характеристикой, когда речь идет о целях космической отрасли по снижению стоимости космического транспорта. Показательный пример:Национальное управление атмосферы и космоса США (НАСА, Вашингтон, округ Колумбия) сообщает, что одна из его целей - снизить стоимость вывода полезной нагрузки на околоземную орбиту с 10 000 долларов за фунт сегодня до сотен долларов за фунт в пределах 25 лет, и десятки долларов за фунт в течение 40 лет. По другую сторону Атлантики цели также высоки:например, Европейское космическое агентство (ЕКА, Париж, Франция) заявило о своем намерении создать Ariane 6 . ракета, чтобы соответствовать или превзойти стоимость килограмма полезной нагрузки SpaceX (Хоторн, Калифорния, США) Falcon 9 , по оценкам, менее 7500 долларов США / кг для геостационарной переходной орбиты (где находится большинство спутников) и менее 3000 долларов США / кг для низкой околоземной орбиты.

Поэтому неудивительно, что облегчение конструкции ракеты проводится многочисленными организациями космической отрасли или что в рамках таких усилий демонстрируются композитные материалы. Успех в этих поисках изначально зависит от поиска способов достижения целей облегчения при соблюдении стандартов, уже установленных для базовых металлических компонентов, включая геометрию деталей и термомеханические свойства.

К счастью, такие ограничения не помешали кафедре углеродных композитов Мюнхенского технического университета (TUM, Мюнхен, Германия) превысить предварительные оценки возможного снижения веса научного модуля полезной нагрузки исследовательской ракеты на 30%. Фактически, первый такой модуль из армированного углеродным волокном полимера (CFRP), который TUM спроектировал и построил в рамках программы «Ракетные эксперименты для студентов университетов» (REXUS), позволил снизить вес более чем на 40%, сообщает Ральф Энгельхардт, научный сотрудник кафедры. углеродных композитов. Такое снижение веса дает множество вариантов экономии затрат для миссии:более тяжелые полезные нагрузки, более высокие апогеи или меньший расход топлива.

Проектирование в граничных условиях

Ракетный модуль TUM включает одну секцию исследовательской ракеты REXUS, которая финансируется Немецким аэрокосмическим центром (DLR, Кельн, Германия), Шведским национальным космическим агентством (SNSA, Стокгольм, Швеция) и ESA, а также финансирует университетские проекты по всей Европе. . Исследовательские ракеты REXUS запускаются дважды в год, чтобы дать университетам возможность экспериментировать во время суборбитального полета. Они летают на максимальную высоту 80-100 км с максимальной вертикальной скоростью около 1200 м / с и максимальным ускорением около 20G. Базовая конструкция модулей научной полезной нагрузки - алюминиевая, с внешним диаметром 356 мм и длиной 300 мм. Модуль TUM CFRP был разработан для REXUS Mission 23, текущая ожидаемая дата запуска которой - начало 2019 года.

Хотя программа REXUS обычно поддерживает университетские научные проекты, реализуемые внутри научные модули полезной нагрузки, проект TUM уникален тем, что предметом эксперимента является составной модуль сам - его конструкция, изготовление, характеристики и летная квалификация. «Нашей основной целью было заменить алюминий на углепластик, что не является типичной задачей», - подчеркивает Энгельхардт.

Модуль состоит из цилиндрической оболочки из углепластика диаметром 356 мм и длиной 300 мм, как у оригинального алюминия, и двух термопластичных композитных радиально-осевых (radax) входных колец нагрузки, одно охватываемое и одно охватывающее, которые обеспечивают болтовое соединение с соседними модулями. . Конструкция из углепластика была создана для удовлетворения определенных требований к геометрическим и термомеханическим свойствам, что было необходимо, поскольку модуль должен работать в соответствии со стандартами, соответствующими остальным частям ракеты. Из-за этого была заранее определена геометрия модуля, включая требование соответствия толщине стенок алюминиевой версии. Модуль также должен был достичь такой же жесткости, как и алюминиевый вариант. Наименее гибкими характеристиками модуля являются геометрия и механические свойства входных колец нагрузки модуля, которые должны сохранять положение и целостность относительно модулей, к которым они прикреплены.

Модуль TUM изготовлен из углеродного волокна / полиэфирэфиркетона (PEEK), выбранного из-за его высоких механических и термических характеристик, а также более высокой удельной прочности и жесткости по сравнению с алюминием. При окончательной сборке пробковый слой приклеивается к оболочке для обеспечения теплоизоляции. В дополнение к ожидаемому снижению веса на 30%, TUM также придерживался эффективного производственного подхода. Первоначальный дизайн включает производственную концепцию, в которой кольца Radax формуются прессованием из гранул длинноволокнистого термопласта (LFT), извлекаются из формы и подготавливаются для интеграции; затем полный модуль укладывается с использованием термопластичного автоматического размещения волокна с консолидацией на месте (TP-AFP).

Конечно, поскольку сам модуль служил основным «экспериментом», у TUM была возможность загрузить необходимое оборудование для дополнительных экспериментов внутри модуля. Команда решила измерять температуру внутри композитной конструкции с помощью встроенных оптоволоконных датчиков (FOS). Энгельхардт объясняет, что FOS были выбраны вместо термопар, потому что их тонкий диаметр и волокнистая форма приводят к минимальному снижению механических характеристик оболочки из углепластика, а также потому, что оптические сигналы не подвержены возмущениям в электромагнитных полях, с которыми сталкивается ракета. Четыре FOS, а именно капсулированные волоконно-оптические датчики с решеткой Брэгга (FBG), встраиваются во время производства TP-AFP на разных позициях и на разных глубинах в ламинат, а затем подключаются к измерительной системе внутри модуля, который управляет датчиками. Система измерения собирает и обрабатывает данные, а также обеспечивает связь с наземной станцией.

Двухэтапный производственный процесс

Для изготовления модуля команда TUM сначала формирует кольца. Victrex plc (Ланкашир, Великобритания) Гранулы PEEK 450CA30 LFT (содержащие углеродное волокно длиной 2-3 мм) формуются прессованием в кольцевые формы. Пресс нагревают до 390 ° C, уплотняют при увеличивающемся уровне усилия (50-200 кН), затем охлаждают и извлекают из формы при 100 ° C.

Оболочка изготавливается из однонаправленного углеродного волокна Tenax / препрег-ленты PEEK Teijin (Токио, Япония) на оборудовании TP-AFP от AFPT GmbH (Doerth, Германия). Процесс TP-AFP позволяет закрепить термопластичную ленту на месте при комнатной температуре на входных кольцах нагрузки из углепластика. Уплотнение в автоклаве не требуется, а уплотнение на ранее изготовленных кольцах устраняет необходимость в дополнительных механических крепежах или клеях. Энгельгардт доволен результатом этого двухэтапного процесса. «Это новая комбинация», - отмечает он. «Всегда сложно выполнить уплотнение на месте с помощью термопластической ленты, но здесь мы успешно разместили ленту на толстых монолитных кольцах».

Энгельхардт также доволен интеграцией FOS, которая была новой технической проблемой. У TUM был опыт использования FOS в чистой смоле, но не в композитном ламинате и без использования процесса термопластичного AFP. Команда справилась с этой задачей и достигла летно-квалификационных показателей.

Наконец, модуль имеет отдельную перегородку, которая служит монтажной пластиной для измерительных устройств. Переборка термоформована в куполообразную форму из плоского органолиста, состоящего из того же углеродного волокна / материала PEEK, что и цилиндр модуля.

Дизайн до квалификации

Чтобы достичь летной квалификации, TUM продвинула этот проект через полный процесс тестирования, моделирования и оценки. Во-первых, материалы были охарактеризованы на уровне купона при комнатной температуре и при максимальной температуре эксплуатации 135 ° C. Испытания подкомпонентов помогли гарантировать приемлемые характеристики межслойного сдвига границы раздела между кольцами и оболочкой, а также адекватную прочность на вырыв крепежей, используемых для соединения модулей ракеты. Данные первоначального тестирования послужили исходными данными для моделирования и проектирования.

Структурный анализ методом конечных элементов помог команде оптимизировать укладку ламината. Результатом для цилиндра является 34-слойная симметричная укладка (0˚ / ± 15˚ / ± 45˚ / 90˚). После изготовления модуля ТУМ провел натурные испытания. Для соответствия нагрузкам летной квалификации модуль прошел испытания на вибрацию от 0 до 300 Гц на уровне частоты 0,083 g ² / Гц. Он также прошел испытание на изгиб, которое продемонстрировало успешную работу при квалификационной нагрузке 14 кНм.

Впереди другие улучшения

Миссия REXUS 23 была первоначально запланирована на март 2018 года, но была отложена из-за трудностей во время предыдущей миссии REXUS. Запуск запланирован на конец февраля или начало марта 2019 года из Кируны, Швеция. Команда TUM воспользовалась дополнительным временем, построив второй модуль и протестировав / оценив его прошлой осенью. В этом новом агрегате вместо штамповки входных колец для нагрузки группа разработчиков заказала центробежное литье колец компанией Elekem Ltd. (Ланкашир, Великобритания). По словам Энгельгардта, сырье такое же, а оригинальный модуль с штампованными кольцами соответствовал всем летным квалификационным требованиям. Но новый модуль повышает производительность звонков с приемлемого уровня, приближая его к идеальному. «Процесс штамповки все еще нуждается в некоторой оптимизации, - говорит Энгельхардт, - но это очень многообещающе».

Как сообщает Энгельхардт, будущая цель и причина, по которой TUM вернется к штамповке в будущем, - это изготовление колец из лома, полученного в процессе AFP. «Мы возьмем вырезы и материал, оставшийся на рулоне, измельчим его, а затем используем эти маленькие кусочки для формования колец», - объясняет он. Имея ограниченные данные и опыт, связанные с этим процессом утилизации, TUM не смог реализовать его в рамках временных и бюджетных ограничений своей работы по Миссии 23. Есть надежда построить кольца из переработанного материала и подготовить их к космическому полету в ближайшем будущем.

После завершения миссии TUM будет использовать данные FOS, чтобы составить более подробную картину тепловых нагрузок на модуль во время полета. Такие знания могут привести к модификации выбора материала, а также конструкции модуля и его размеров. «Тепловое моделирование было выполнено на основе предыдущих измерений, но скоро мы получим фактические данные», - отмечает Энгельхардт. «Мы можем обнаружить, что нам не обязательно иметь температуру стеклования PEEK (T _g ) 143˚C », - поясняет он. «Более низкий T _g означает, что мы могли бы использовать более дешевый полимер ».

И менее дорогой полимер, и использование переработанных материалов будут способствовать достижению общей цели космической отрасли по снижению стоимости космического транспорта на порядки. Но самым большим вкладом усилий TUM в области REXUS, несомненно, является уже достигнутое снижение веса на 40%.