Проектирование бескожухового полностью композитного сферического криобаллона для хранения ракетного топлива

Ракетоносители для космических полетов требуют огромного количества топлива и емкостей для его хранения. Типичные ракетные топливы — кислород, водород и азот — могут храниться в газообразном состоянии при комнатной температуре, но из-за низкой плотности газов хранение достаточного объема потребовало бы очень больших баков, увеличивающих массу аппарата и ограничивающих полезную нагрузку. Поэтому эти топливы идеально хранить в жидком виде при более высокой плотности, что позволяет использовать меньшие и более компактные баки. Однако многие распространенные топливы должны охлаждаться до ультранизких (криогенных) температур (обычно ниже -150 °C или -238 °F), чтобы перейти в жидкое состояние.

В апреле 2020 года компания Infinite Composites Technologies (ICT, Тулса, Оклахома, США) объявила о разработке сферического бескожухового полностью композитного криобаллона — сосуда под давления для хранения криогенных ракетных топливов на ракетоносчителях.

Бескожуховые сосуда под давлением (Тип V)

Бескожуховые — также называемые типом V — сосуда под давлением давно являются целью при проектировании композитных высоконапорных баков из углеродного волокна. Традиционно сосуды типов I–IV содержали хотя бы некоторое количество металла, как минимум в виде внутренней обкладки между хранящимся газом/жидкостью и композитной оболочкой (тип IV). Полное исключение металлических компонентов значительно снижает массу бака, что для топливных баков космических аппаратов означает либо снижение стоимости запуска, либо увеличение полезной нагрузки.

Однако полностью композитные конструкции для криогенных топлив (жидкий азот, кислород) сталкиваются с проблемой микротрещин в ламинате. При воздействии экстремально низких температур разница в коэффициентах теплового расширения (КТР) между слоями приводит к трещинам и утечкам. Многие смольные системы также становятся хрупкими при криогенных температурах, усугубляя проблему. По словам генерального директора ICT Мэтта Вильярреала, компания разработала бескожуховой криобаллон, устраняющий проблему микротрещин.

По мнению Вильярреала, полностью композитные криогенные баки — особенно сферические из-за их компактности — считаются ключевой технологией для долгосрочной эксплуатации и выживания в космосе. Хотя многие лунные посадочные модули, разрабатываемые агентствами вроде NASA, используют сферическую конструкцию, до сих пор все сферические баки были тяжелыми металлическими сферами или металлическими композитными обмотанными сосудами (COPV). Криосфера ICT предлагает более легкое и топливоэффективное решение для хранения топлива.

От гоночных болидов к ракетам

До работы над криобаллами Вильярреал и его партнер Майкл Тейт начинали карьеру в проектировании композитных сосудов под давлением в Оклахомском государственном университете (Стиллуотер, Оклахома, США). В 2008 году они присоединились к команде Formula SAE, разрабатывавшей квартер-масштабный болид для международных соревнований. Чтобы привлечь финансирование от местных газовых компаний, они перевели автомобиль на сжатый природный газ (СПГ), но используемый полностью металлический бак был настолько тяжелым, что снижал топливную эффективность, заставляя заправляться многократно во время 24-часового испытания на выносливость.

«После гонок мы исследовали проблему и выяснили, что масса бака — критическая проблема во многих отраслях и ключевая технология как для чистой энергии в транспорте, так и для космической разведки», — говорит Вильярреал.

Изучая технологии облегчения баков для СПГ, они пришли к концепции бескожуховых композитных баков типа V, называемых в отрасли «Святым Граалем» сосудов под давлением. В 2008 году они основали компанию CleanNG LLC для разработки высоконапорных баков хранения природного газа. С 2013 года их цилиндрический полностью композитный бак infiniteCPV используется в наземных и промышленных приложениях для хранения СПГ, а также сжатого криптона, азота и гелия.

По мере развития конструкций баков к CleanNG обратились компании, строящие космические аппараты, с финансированием НИОКР для адаптации баков под космические нужды. «Со временем бизнес-кейс для космоса стал более привлекательным», — отмечает Вильярреал.

В 2016 году компания сменила название на Infinite Composites Technologies и сфокусировалась на коммерческих космических проектах, а также на оборонных приложениях (обтекатели ракетных двигателей, военные ЛА и БПЛА). Цилиндрическая конструкция infiniteCPV была интегрирована в несколько ракет, ожидавших запуск в 2020 году.

Криосфера, по словам Вильярреала, является эволюцией оригинального бака infiniteCPV.

Разработка Криосферы

По мере смещения фокуса ICT на нужды космических аппаратов, Вильярреал говорит: «Мы начали видеть тренд: реальная сложность — создание композитных криобаллонов». Криобаллоны — это сосуда под давлением, рассчитанные не только на высокие давления, но и на экстремально низкие температуры (ниже -200 °F), необходимые для хранения жидкого азота, кислорода, метана и других топлив/окислителей.

Компания получила трехлетний грант в 300 000 долларов от Центра продвижения науки и технологий штата Оклахома (OCAST) в 2013 году на характеристику материалов и испытания концепции криобаллона. «Проект был умеренно успешен», — говорит Вильярреал. «Мы нашли хорошие материалы и получили подтверждение, что можем двигаться дальше».

В 2018 году ICT предложила концепцию криобаллона Космическому центру Джонсона NASA (Хьюстон, Техас, США) и запустила проект быстрой разработки композитного криобаллона для демонстрационного лунного посадочного модуля — аппарата, похожего на предыдущий вертикальный взлет/посадку Morpheus NASA. Требования включали выдержку 10 циклов жидкого азота (ЛН2) при давлении 100 psi с падением температуры до -290 °F и возвратом к окружающей, потерю не более 10 psi за 30-минутную проверку гелием между циклами, и выдержку пост-циклического криогенного разрыва при 1000 psi (±100 psi).

Первый раунд испытаний цилиндрического криобаллона был частично успешен: бак выдержал только 5 криогенных циклов. «Мы ускорили проект и переработали конструкцию примерно за 8 недель», — говорит Вильярреал. «Это был безумный рывок, бак выдержал пару термоциклов, но затем начал течь». Проблема — микротрещины в ламинате. Команда вернулась к черновикам.

Материалы и технологии

«Ядро технологии — в материалах», — говорит инженерный менеджер ICT Эфрен Луэвано. Криосфера изготовлена из углеродного волокна Toray (Токио, Япония) T800 и эпоксидной смолы, методом нитевитой намотки, отвердевает при комнатной температуре, с последующей термообработкой в промышленной печи (не в автоклаве) на объекте ICT в Тулсе.

Для решения проблемы микротрещин ICT провела итеративное тестирование нескольких типов добавок в проприетарной химически модифицированной эпоксидной матрице в разных концентрациях. Была открыта комбинация двух добавок, позволившая конструкции пройти термические испытания. Одна из них — графен.

«В данном случае мы используем графен как механическое армирование на наноуровне», — объясняет Вильярреал. Графеновые тромбоциты, поставляемые Applied Graphene Materials (Кливленд, Великобритания), простираются в пространстве между волокнами и создают препятствие для образования трещин в ламинате. Графен также улучшает прочность межслойных связей.

«Задача — удерживать волокна на месте при надавливании бака и нагрузке на него», — продолжает Вильярреал. При низких температурах смола становится хрупкой и начинает трескаться — под давлением волокна начинают скользить друг относительно друга, разрывая химические связи. Графеновые тромбоциты действуют как механическое армирование между слоями волокон, снижая вероятность смещения и разрушения.

Дополнительная проприетарная добавка делает ламинат более дуктым при низких температурах и придает ему теплоизоляционные свойства. «Теплоизоляция — одна из проблем криобаллонов», — говорит Вильярреал. В испытаниях новая Криосфера с графеновой смолой заполненная жидким азотом «проявила внешние признаки холода почти через час». На предыдущих баках иней на внешней поверхности появлялся уже через 10 минут.

Сферическая конструкция: вызовы и преимущества

Помимо криогенической совместимости, Луэвано отмечает, что сама сферическая форма была вызовом. По словам Вильярреала, преимущество сферы — лучшая упаковочная эффективность для применений с жесткими габаритными требованиями (лунные посадочные модули). Однако при намотке на сферическую поверхность риск скольжения волокон был выше, чем на цилиндрической, из-за угла намотки и недостаточного трения на мандрале, что усложняло контроль укладки волокон. Также ПО для проектирования узоров было оптимизировано для цилиндров и не могло генерировать реализуемые узоры для сферы стандартным процессом. «Пришлось проявить креативность в обходных путях», — добавляет он.

Сферическая форма также непреднамеренно помогла с микротрещинами. Команда обнаружила на ранней итерации разницу температур около 150 °F между дном и верхом бака из-за часового процесса заполнения: жидкий азот на дне при -290 °F, а газообразный азот сверху лишь при -140 °F. «Такие резкие градиенты температур в ламинате вызывают трещины, так как одна часть пытается растянуться иначе, чем другая», — объясняет Вильярреал. Меньший градиент в сферической конструкции снижает температурную неравномерность.

С оптимизированной конструкцией ICT в конце 2019 года заключила контракт с Космическим центром Кеннеди NASA (Кейп-Канаверал, Флорида, США) на поставку двух сферических криобаллонов половинного масштаба по сравнению с цилиндрическими баками Morpheus. «Наши Криосферы прошли все термоциклические испытания с гелиевыми проверками между циклами для контроля микротрещин», — говорит Вильярреал. «На наш взгляд, за этим контрактом претендовали еще три поставщика, но к моменту завершения наших испытаний ни у кого из них даже не было первых прототипов».

Следующие шаги к полету

Испытания продолжаются. ICT также получила финансирование по программе NASA MISSE, запускающей материалы на МКС для экспериментов. Для этого созданы сферы диаметром 2,5 дюйма — размер для тестов, но потенциально применимый в пневматических системах роботов. «Они выглядят как крошечные гранаты», — отмечает Вильярреал. Пять Криосфер доставлено в Исследовательский центр Лэнгли NASA (Хэмптон, Вирджиния, США) в феврале 2020 года. Запуск MISSE на МКС планировался на август 2020, но отложен на ноябрь. На станции Криосферы будут установлены снаружи и изучены около шести месяцев с датчиками радиации для теста устойчивости материалов к теплу и излучению на орбите. Успешные тесты позволят вернуть баки для дополнительных криогенных испытаний и оценки влияния радиации на материалы, главным образом на химические связи в смоле.

Следующий этап — летная квалификация. Вильярреал говорит, что ICT прошла около половины квалификационных испытаний по адаптированному стандарту AIAA S-081B и планирует завершить остальные к концу третьего квартала 2020 года.

Компания также планирует увеличить размер бака до 48 дюймов в диаметре — размер, указанный для коммерческих лунных посадочных модулей NASA, и работает над партнерствами для доставки Криосферы на Луну.

«Наша команда расширяет границы возможного для полностью композитных баков», — резюмирует Вильярреал. «Эта технология имеет потенциал إحدвать революцию в космической разведке и устойчивом транспорте».