NCC устанавливает новый стандарт легких баков типа V для космической тяги

Национальный центр композитов (NCC, Бристоль, Великобритания) с отраслевым руководством от авиапроизводителя Thales Alenia Space (Канны, Франция) изготовил демонстратор полностью композитного лайнерлесс (Тип V) бака в рамках проекта SpaceTank. Говорят, он репрезентативен для баков топлива ракет-носителей и спутников, обеспечивая оцениваемую экономию веса 30% по сравнению с традиционными металлическими баками топлива в текущем использовании. NCC продемонстрировал это, чтобы привлечь интерес Великобритании к производству композитных баков для будущих потребностей космической тяги. По словам NCC, этот демонстрационный проект показывает, как передовые композитные технологии могут играть жизненно важную роль в будущих инженерных структурах космической тяги, уменьшая структурный вес бака и снижая стоимость запуска спутников (скачать PDF кейса).

Цели проекта SpaceTank

Общая цель проекта SpaceTank — разработка британских инструментов НИОКР, необходимых для производства и контроля криогенных сосудов под давлением. Более конкретно, годовой проект сфокусировался на разработке нового производственного решения для баков для хранения криогенного топлива.

Космическая индустрия признает критическую роль композитных материалов в космосе, некоторые компании уже исследуют их использование в дизайне космических баков. Например, Virgin Orbit (Лонг-Бич, Калифорния, США) и Rocket Lab (Окленд, Новая Зеландия) разработали и продемонстрировали композитные баки как альтернативу металлу для ракет Launcher One и Electron соответственно. В Австралии Omni Tanker (Смитон Грейндж) и партнеры стремятся разработать и коммерциализировать композитный лайнерлесс бак жидкого водорода (LH₂), а ближе к дому в Европе MT Aerospace (Аугсбург, Германия) разрабатывает материалы и методы производства и проходит испытания для нового ракетного топливного бака. Проект NCC SpaceTank ожидает вывести Великобританию на уровень ключевого игрока в этой области.

Характеристики демонстратора

Созданный демонстратор NCC SpaceTank имеет длину 750 мм, диаметр 450 мм и объем хранения жидкости более 96 литров. Он спроектирован и изготовлен с номинальной толщиной стенки 4,0–5,5 мм, что позволяет баку выдерживать 85 бар давления топлива. Карбоноконструктивное основное тело состоит из 8 кг массы материала, но, по словам NCC, как и во всех инженерных структурах, существуют дальнейшие возможности для оптимизации этого снижения веса. Более того, давление NCC SpaceTank может быть увеличено за счет использования углеродных волокон более высокой прочности и увеличения толщины композита. Альтернативно, SpaceTank может быть оптимизирован по весу и стоимости для приложений с гораздо более низким давлением за счет использования более тонкого и менее жесткого композитного материала.

Инновационная технологическая оснастка

В ходе проекта SpaceTank команда NCC разработала инновационный метод включения металлических фланцев клапанов в вымываемую технологическую оснастку, устраняя необходимость любых вторичных операций сборки и склеивания для готового изделия. Эти фланцы клапанов удерживались в новой технологической оснастке, позволяя им сосклеиваться с углеродным волокном на более поздней стадии производственного процесса.

Основное тело бака использует эпоксидный препрег углеродного волокна MTC510, поставляемый SHD Composites (Мурсвилл, Северная Каролина, США) в ширине ленты 300 мм. MTC510 — это эпоксидная смольная система, специально разработанная для отверждения между 80 °C и 120 °C и устойчивированная для повышения толерантности к повреждениям.

Этот материал был подготовлен для производственного процесса SpaceTank компанией Bindatex (Болтон, Великобритания), которая также выполнила точную нарезку узкой ленты и вернула 22 000 метров (примерно 72 178 футов) материала в формате 6,35 мм, подготовленном в соответствии с требованиями NCC для использования в ее ячейке автоматизированной укладки волокна (AFP) производства Coriolis (Кевен, Франция).

Нarezанная лента наносилась на вымываемую технологическую оснастку с использованием операции намотки под напряжением системы AFP Coriolis. Комбинация спиралевидной и круговой намотки, спроектированная инженерами NCC с использованием программного обеспечения для намотки нити Material's Cadwind (Брюссель, Бельгия), использовалась для нанесения более 24 слоев материала до номинальной толщины 5,5 мм. Толщина и направление/угол намотки, используемые здесь, были только для демонстрации; NCC может либо увеличить, либо уменьшить толщину композитной стенки и изменить угол намотки и структуру слоев для полной оптимизации бака под конкретное давление или нагрузку.

Сразу после нанесения материала демонстратор NCC SpaceTank инспектировался на дефекты и вариации толщины. Затем он отверждался в автоклаве при 100 °C и повторно инспектировался. Ультразвуковое С-сканирование и термография неразрушающего контроля (НДК) использовались после отверждения, и эти методы сравнивались и противопоставлялись для пригодности инспекции будущих баков на дефекты, такие как разслоение и пористость. Наконец, после завершения оценки качества НДК, внутренняя технологическая оснастка была вымыта под давлением холодной воды, оставляя внутреннюю полость бака пустой.

Разработка вымываемой оснастки

По словам NCC, технологическая оснастка для лайнерлесс бака SpaceTank оказалась сложной, что привело к разработке процесса литья в партнерстве с AeroConsultants (Хантингдон, Великобритания) с использованием водорастворимого сердечника Aqua. Готовая оснастка имеет централизованное мужское сердечко с номинальной толщиной стенки 30 мм, отлитое в двух частях и затем склеенное. Оснастка имеет три (вымываемых) внутренних жесткости, спроектированные и изготовленные для выдержки крутильных нагрузок, ожидаемых при автоматизированной укладке композита и давлении при автоклавном отверждении.

Эта демонстрация NCC теперь предоставляет исследовательскую базу в Великобритании для будущего развития баков топлива и помогает поддержать новую британскую цепочку поставок современных компонентов и оборудования для производства композитных баков.

Будущая исследовательская деятельность в этой области также, как сообщается, поддержит увеличение доли Великобритании в 5% глобальной космической экономики. Отчет правительства Великобритании от мая 2021 года показал, что доход британской космической индустрии вырос с 14,8 млрд фунтов в 2016/2017 до 16,4 млрд фунтов в 2018/2019. Сводный отчет для UK Space Agency также подчеркнул, что более 3000 рабочих мест создано в британском космическом секторе за последние два года (2019–2021).