Цельнокомпозитный танк NCC Тип V демонстрирует будущую технологию композитных космических танков

Национальный центр композитов (NCC, Бристоль, Великобритания) под руководством производителя аэрокосмической отрасли Thales Alenia Space (Канны, Франция) изготовил демонстрационный образец танка без гильзы из композитных материалов (Тип V) в рамках проекта SpaceTank. Утверждается, что он типичен для топливных баков ракет-носителей и спутников, обеспечивая расчетную экономию веса на 30% по сравнению с обычными металлическими топливными баками, которые используются в настоящее время. NCC продемонстрировал это, чтобы заинтересовать Великобританию в производстве композитных резервуаров для будущих космических силовых установок. Согласно NCC, этот демонстрационный проект демонстрирует, как передовая технология композитов может сыграть жизненно важную роль в будущих конструкциях космических двигателей за счет снижения веса конструкции танка и снижения затрат на запуск спутника (скачать PDF-файл с тематическим исследованием).

Общая цель проекта SpaceTank заключалась в разработке британских исследовательских и опытно-конструкторских инструментов, необходимых для производства и проверки криогенных сосудов под давлением. В частности, одногодичный проект был направлен на разработку нового производственного решения для резервуаров для хранения криогенного топлива.

Космическая промышленность осознает критическую роль композитных материалов в космосе, и некоторые компании уже изучают возможность их использования в конструкции космических резервуаров. Например, компании Virgin Orbit (Лонг-Бич, Калифорния, США) и RocketLab (Окленд, Новая Зеландия) разработали и продемонстрировали композитные резервуары в качестве альтернативы металлу для Launcher One и Электрон ракеты соответственно. В Австралии Omni Tanker (Smeaton Grange) и партнеры стремятся разработать и коммерциализировать композитный резервуар для жидкого водорода без гильзы (LH ₂ ), а также ближе к дому в Европе, MT Aerospace (Аугсбург, Германия) разрабатывает материалы и методы производства, а также проходит испытания нового нового ракетного топливного бака. Ожидается, что проект NCC SpaceTank повысит статус Великобритании до ключевого игрока в этой области.

Созданный демонстратор NCC SpaceTank имеет длину 750 миллиметров, диаметр 450 миллиметров и емкость для хранения жидкости более 96 литров. Он был спроектирован и изготовлен с номинальной толщиной стенок 4,0-5,5 мм, что позволяет баллону выдерживать давление топлива 85 бар. Основной корпус из углеродного волокна состоит из 8 килограммов материала, но, согласно NCC, как и все другие инженерные конструкции, SpaceTank предоставляет дополнительные возможности для дальнейшей оптимизации этого снижения веса. Кроме того, номинальное давление NCC SpaceTank может быть увеличено за счет использования более прочных углеродных волокон и увеличения толщины композита. В качестве альтернативы SpaceTank можно оптимизировать по весу и стоимости для приложений с гораздо более низким давлением, используя более тонкий композитный материал с меньшей жесткостью.

Во время проекта SpaceTank команда NCC разработала инновационный метод включения отверстий металлических клапанов для жидкости в моющийся инструмент, чтобы устранить необходимость в каких-либо дополнительных операциях сборки и соединения, необходимых для конечного продукта. Эти отверстия для гидравлических клапанов удерживались в новой оснастке, что позволяло им соединяться с углеродным волокном на последней стадии производственного процесса.

В основном корпусе резервуара используется препрег из эпоксидного углеродного волокна MTC510, поставляемый SHD Composites (Мурсвилл, Северная Каролина, США), на ленте шириной 300 мм. MTC510 - это система эпоксидной смолы, специально разработанная для отверждения при температуре от 80 ° C до 120 ° C и усиленная для повышения устойчивости к повреждениям.

Этот материал был подготовлен для производственного процесса SpaceTank компанией Bindatex (Болтон, Великобритания), которая также выполнила прецизионную разрезку ленты на узкую ширину и вернула 22000 метров (примерно 72 178 футов) материала в формате 6,35 мм, подготовленного в соответствии с Требование компании NCC к использованию в ее производственной ячейке с автоматическим размещением волокна (AFP) Кориолиса (Квен, Франция).

Лента с прорезями была нанесена на моющийся инструмент с использованием операции намотки натянутой нити в системе Coriolis AFP. Комбинация спиральной и кольцевой намотки, разработанная инженерами NCC с использованием программного обеспечения для намотки волокон Cadwind (Брюссель, Бельгия), была использована для нанесения более 24 слоев материала до номинальной толщины 5,5 мм. Толщина и направление / угол намотки, использованные здесь, предназначены только для демонстрации; NCC может увеличивать или уменьшать толщину композитных стенок и изменять угол намотки и структуру слоев, чтобы полностью оптимизировать резервуар для конкретного давления или нагрузки.

Сразу после нанесения материала NCC SpaceTank был проверен на наличие дефектов и отклонений по толщине. Затем он был отвержден в автоклаве при 100 ° C и затем повторно проверен. После отверждения использовались методы ультразвукового C-сканирования и неразрушающего контроля (NDT) с помощью термографии, и эти методы сравнивались и сравнивались для проверки пригодности для проверки будущих резервуаров на наличие дефектов, таких как расслоение и пористость. Наконец, после завершения оценки качества неразрушающего контроля, внутренний стержень инструмента был промыт холодной водой под давлением, чтобы внутренняя полость резервуара оставалась пустой.

По данным NCC, технология оснастки для SpaceTank без гильзы оказалась сложной, что привело к разработке процесса литья в партнерстве с AeroConsultants (Хантингдон, Великобритания) с использованием водорастворимого материала сердцевины Aqua компании. Готовый инструмент имеет централизованный охватываемый сердечник с номинальной толщиной стенки 30 мм, который отливают из двух частей, а затем склеивают. Инструмент имеет три (моющихся) внутренних кольца жесткости, которые были спроектированы и изготовлены для того, чтобы помочь выдержать торсионную нагрузку, ожидаемую во время автоматической укладки композита, и давление, оказываемое во время отверждения в автоклаве.

Эта демонстрация NCC теперь обеспечивает исследовательскую базу в Великобритании для будущих разработок топливных баков и помогает поддерживать новую британскую цепочку поставок современных компонентов и оборудования для производства композитных резервуаров.

Как сообщается, будущая исследовательская деятельность в этой области также будет способствовать увеличению 5% -ной доли Великобритании в мировой космической экономике. Отчет правительства Великобритании от мая 2021 года показал, что доход космической отрасли Великобритании увеличился с 14,8 миллиарда фунтов стерлингов в 2016/2017 году до 16,4 миллиарда фунтов стерлингов в 2018/2019 году. В сводном отчете Космического агентства Великобритании также отмечается, что за последние два года (2019-2021 гг.) В космическом секторе Великобритании было создано более 3000 рабочих мест.