Передовительный CFRP модуль снижает вес ракеты, повышая запусковую эффективность

«Амбициозно» может быть недооценкой, когда речь идет о целях космической индустрии по снижению стоимости космического транспорта. Пример: США National Atmospheric and Space Administration (NASA, Вашингтон, округ Колумбия) сообщает, что одна из её целей — снизить стоимость вывода полезной нагрузки на орбиту Земли с $10 000/фунт сегодня до сотен долларов за фунт в течение 25 лет, и десятков долларов за фунт в течение 40 лет. За Атлантикой цели также возвышены: Европейское космическое агентство (ESA, Париж, Франция), например, заявляет намерение ракеты Ariane 6 соответствовать или побить стоимость полезной нагрузки за килограмм SpaceX (Хоторн, штат Калифорния, США) Falcon 9, оцениваемую менее $7500/кг для геосинхронной передаточной орбиты (где большинство спутников) и менее $3000/кг для низкой земной орбиты.

Неудивительно, что структурное облегчение ракеты преследуется многочисленными космическими организациями, или что композитные материалы показаны в таких усилиях. Успех в этих застреваниях изначально зависит от нахождения способов достижения целей облегчения при соблюдении стандартов, уже установленных для базовых металлических компонентов, включая геометрию детали и термомеханические свойства.

Радостно, что такие ограничения не удержали Кафедру углеродных композитов Технического университета Мюнхена (TUM, Мюнхен, Германия) от превышения ранних оценок возможного 30% снижения веса научного модуля полезной нагрузки исследовательской ракеты. Фактически, первый такой модуль из углеродно-пластикового композита (CFRP), который TUM спроектировал и построил под программой Rocket Experiments for University Students (REXUS), достиг более 40% снижения веса, сообщает Ральф Энгельхардт, научный сотрудник Кафедры углеродных композитов. Такое снижение веса дает многочисленные варианты экономии затрат для миссии: более тяжелые полезные нагрузки, более высокие апогеи или сниженное потребление топлива.

Проектирование в граничных условиях

Ракетный модуль TUM состоит из одной секции исследовательской ракеты REXUS, финансируемой Немецким аэрокосмическим центром (DLR, Кёльн, Германия), Шведским национальным космическим агентством (SNSA, Стокгольм, Швеция) и ESA, и финансирующей университетские проекты по всей Европе. REXUS исследовательские ракеты запускаются дважды в год для обеспечения университетских экспериментов во время суборбитального полета. Они летят на максимальную высоту 80–100 км, с максимальной вертикальной скоростью около 1200 м/с и максимальным ускорением около 20G. Базовая структура модулей научной полезной нагрузки — алюминий, с внешним диаметром 356 мм и длиной 300 мм. CFRP модуль TUM был спроектирован для Миссии REXUS 23, для которой текущая ожидаемая дата запуска — начало 2019.

В то время как программа REXUS обычно поддерживает университетские научные проекты, проводимые внутри модулей научной полезной нагрузки, проект TUM уникален в том, что объектом эксперимента является сам композитный модуль — его дизайн, производство, производительность и квалификация для полета. «Наша первичная цель — заменить алюминий на CFRP, что не типичная миссия», — подчеркивает Энгельхардт.

Модуль состоит из цилиндрической CFRP оболочки — 356 мм диаметром и 300 мм длиной, как оригинальный алюминий — и двух термопластичных композитных радиально-осевых (radax) колец ввода нагрузки, одно мужское и одно женское, обеспечивающих болтовое соединение с соседними модулями. CFRP дизайн был создан для соответствия конкретным геометрическим и термомеханическим требованиям свойств, необходимым, потому что модуль должен выполняться согласно стандартам, согласованным с остальной ракетой. Из-за этого геометрия модуля была предопределена, включая требование соответствия толщине стенки алюминиевой версии. Модуль также должен был достичь той же жесткости, что и алюминиевая версия. Наименее гибкими особенностями модуля являются геометрия и механические свойства колец ввода нагрузки модуля, которые должны поддерживать позицию и целостность относительно модулей, к которым они прикреплены.

Модуль TUM сделан из материала углеродное волокно/полиэтерэтеркетон (PEEK), выбранного за его высокую механическую и термическую производительность, а также более высокую удельную прочность и жесткость по сравнению с алюминием. В финальной сборке слой пробки клеивается на оболочку для термоизоляции. Помимо ожидаемого снижения веса 30%, TUM также преследовал эффективный производственный подход. Первоначальный дизайн включал производственную концепцию, в которой радакс-кольца прессовались из гранул длинноволокнистого термопластика (LFT), разформовывались и готовились к интеграции; затем полный модуль укладывался с использованием термопластичной автоматизированной укладки волокна с ин-ситу консолидацией (TP-AFP).

Конечно, с модулем самим служащим первичным «экспериментом», TUM имел возможность загрузить необходимое оборудование для вторичных экспериментов внутри модуля. Команда выбрала измерение температур внутри композитной структуры с использованием встроенных волоконно-оптических сенсоров (FOS). Энгельхардт объясняет, что FOS выбраны вместо термопар, потому что их тонкий диаметр и волокнистая форма приводят к минимальному снижению механической производительности CFRP оболочки, и потому что оптические сигналы не подвержены помехам в электромагнитных полях, с которыми сталкивается ракета. Четыре FOS — конкретнее, капсульзированные волоконные Брегговы решетки (FBG) сенсоры — встраиваются во время производства TP-AFP на разных позициях и глубинах внутри ламината, и позже соединяются с измерительной системой внутри модуля, работающей с сенсорами. Измерительная система собирает и управляет данными, и обеспечивает downlink к наземной станции.

Двухстадийный производственный процесс

Для производства модуля команда TUM сначала формирует кольца. Гранулы Victrex plc (Ланкашир, Великобритания) PEEK 450CA30 LFT (содержащие углеродное волокно длинами 2–3 мм) прессовываются в кольцевые формы. Пресс нагревается до 390°C, уплотняется нарастающими силами (50–200 кН), затем охлаждается и разформовывается при 100°C.

Оболочка делается из однонаправленной препрег-ленты углеродное волокно/PEEK от Teijin (Токио, Япония) Tenax на оборудовании TP-AFP от AFPT GmbH (Дёрт, Германия). Процесс TP-AFP позволяет ин-ситу консолидацию термопластичной ленты при комнатной температуре на CFRP радакс-кольца. Автоклавная консолидация не требуется, и консолидация на ранее изготовленных кольцах исключает необходимость дополнительных механических крепежей или клеев. Энгельхардт доволен результатом этого двухстадийного процесса. «Это новая комбинация», — отмечает он. «Всегда вызов — выполнять ин-ситу консолидацию с термопластичной лентой, но здесь мы успешно уложили ленту на толстые монолитные кольца».

Энгельхардт также доволен интеграцией FOS, которая была новой технической сложностью. TUM имел опыт использования FOS в чистой смоле, но не в композитном ламинате, и не используя термопластичный AFP процесс. Команда справилась с этим вызовом и достигла полета-квалификационной производительности.

Наконец, модуль включает отдельную переборку, служащую монтажной плитой для измерительных приборов. Переборка термоформируется в куполообразную форму из плоского органического листа, составленного из того же материала углеродное волокно/PEEK, что и цилиндр модуля.

От дизайна к квалификации

Для достижения полета-квалификации TUM продвинул этот проект через полный процесс тестирования, симуляции и оценки. Сначала материалы характеризовались на уровне купонов при комнатной температуре и при максимальной служебной температуре 135°C. Подкомпонентное тестирование помогло обеспечить приемлемую межслойную сдвиговую производительность интерфейса между кольцами и оболочкой, а также адекватную выдержку на вырыв крепежей, используемых для соединения модулей ракеты. Данные из первичного тестирования дали вход для симуляции и дизайна.

Конечно-элементный структурный анализ помог команде оптимизировать укладку ламината. Результат для цилиндра — 34-слойная симметричная укладка (0°/±15°/±45°/90°). После производства модуля TUM провел полноразмерное тестирование. Для соответствия полета-квалификационным нагрузкам модуль прошел вибрационное тестирование от 0–300 Гц на уровне частоты 0,083 g²/Гц. Также прошел тест на изгиб, демонстрировавший успешную производительность под квалификационной нагрузкой 14 кН·м.

Дальнейшие улучшения

Миссия REXUS 23 изначально планировалась на март 2018, но была отложена из-за трудностей во время предыдущей миссии REXUS. Запуск теперь запланирован на конец февраля или начало марта 2019 из Кируны, Швеция. Команда TUM воспользовалась дополнительным временем, построив второй модуль и тестируя/квалифицируя его прошедшей осенью. В этом новом блоке вместо прессования радакс-колец команда заказала их центробежную литейку у Elekem Ltd. (Ланкашир, Великобритания). Сырье те же, говорит Энгельхардт, и оригинальный модуль с прессованными кольцами соответствовал всем полета-квалификациям. Но новый модуль продвигает производительность колец от приемлемого уровня ближе к идеальному. «Процесс прессования все еще нуждается в оптимизации», — говорит Энгельхардт, — «но он очень многообещающ».

Будущая цель, сообщает Энгельхардт, и причина, почему TUM вернется к прессованию в будущем — сделать кольца из отходного материала процесса AFP. «Мы возьмем вырезки и материал, оставшийся на рулоне, измельчим, затем используем эти маленькие куски для прессования колец», — объясняет он. С ограниченными данными и опытом, связанным с этим процессом переработки, TUM не смог реализовать его в рамках временных и бюджетных ограничений работы Миссии 23. Надежда — построить и квалифицировать кольца из переработанного материала для ближайшего космического полета.

После завершения миссии TUM будет использовать данные FOS для разработки более детальной картины термических нагрузок на модуль во время полета. Такое знание может привести к модификациям выбора материала, а также дизайна и размеров модуля. «Термические симуляции выполнялись на основе предыдущих измерений, но скоро у нас будут реальные данные», — указывает Энгельхардт. «Мы можем обнаружить, что нам не нужна температура стекловидного перехода (Tg) PEEK 143°C», — иллюстрирует он. «Ниже Tg означает, что мы могли бы возможно использовать более дешевый полимер».

И более дешевый полимер, и использование переработанных материалов будут способствовать общей цели космической индустрии снизить стоимость космического транспорта на порядки. Но самый большой вклад усилий TUM REXUS, безусловно, — это уже достигнутое 40% снижение веса.