Ontwikkelen van een linerless, volledig composiet, bolvormige cryotank

Lanceervoertuigen voor ruimtevaart vereisen veel brandstof en veel brandstofopslag. Typische raketstuwstoffen zoals zuurstof, waterstof en stikstof kunnen als gassen worden opgeslagen bij kamertemperatuur, maar aangezien gassen een relatief lage dichtheid hebben, zouden voor de opslag van voldoende gasstuwstoffen voor een ruimtelancering zeer grote tanks nodig zijn, wat het gewicht van het ruimtevaartuig zou vergroten en zijn laadvermogen. Deze drijfgassen worden dus idealiter met een hogere dichtheid als vloeistoffen opgeslagen, waardoor het gebruik van kleinere en minder tanks mogelijk wordt om ze op te slaan, maar veel gewone drijfgassen moeten worden gekoeld tot ultrakoude temperaturen (ook bekend als cryogeen, en in het algemeen verwijzend naar temperaturen onder -150°C of -238°F) als vloeistoffen bestaan.

Daartoe kondigde Infinite Composites Technologies (ICT, Tulsa, Okla., VS) in april 2020 de ontwikkeling aan van een bolvormige, linerless, volledig composiet cryotank - een drukvat voor het opslaan van cryogene drijfgassen op raketaangedreven ruimtelanceervoertuigen.

Linerless - ook bekend als Type V - drukvaten zijn al lang een doel bij het ontwerpen van hogedrukopslagtanks van koolstofvezelcomposiet. Traditioneel hebben drukvaten van type I tot en met IV ten minste een bepaald percentage metaal verwerkt, op zijn minst als bekleding tussen het opgeslagen gas of de vloeistof en de composietbuitenzijde (type IV). Het weglaten van metalen onderdelen vermindert het gewicht van de tank aanzienlijk, wat in het geval van brandstofopslagtanks voor ruimtevaartuigen leidt tot ofwel lagere kosten voor het lanceren van het voertuig ofwel een groter laadvermogen.

Volledig samengestelde ontwerpen voor cryogene brandstoffen zoals vloeibare stikstof of vloeibare zuurstof hebben echter de neiging om het ongrijpbare probleem van microscheurtjes in het laminaat te veroorzaken. Aangezien een composietlaminaat wordt blootgesteld aan extreme temperaturen, zoals afkoeling tot cryogene niveaus, kan het verschil in thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) tussen elke laag leiden tot scheuren en lekken. Veel harssystemen worden ook broos bij cryogene temperaturen, wat het probleem verergert. Volgens Matt Villarreal, CEO van ICT, heeft Infinite Composites Technologies een linerless cryotank ontwikkeld die de problemen met microscheuren elimineert.

Volgens Villarreal worden volledig samengestelde cryogene opslagtanks - vooral bolvormige vanwege hun kleinere voetafdruk - door velen beschouwd als een sleuteltechnologie voor langetermijnexploratie en overleving in de ruimte. Hoewel veel maanlanders in ontwikkeling door ruimteagentschappen zoals NASA een bolvormig tankontwerp hebben, zijn tot nu toe sferische tanks allemaal zwaardere, minder brandstofefficiënte metalen bollen of sferische metallische composiet-omhulde drukvaten (COPV) geweest. De volledig samengestelde tank van ICT, de CryoSphere genaamd, biedt mogelijkheden voor een lichtere, zuinigere optie om brandstof op te slaan.

Van raceauto's tot raketten

Voordat cryotanks in beeld kwamen, begonnen Villarreal en zakenpartner Michael Tate hun loopbaan in het ontwerpen van composietdrukvaten tijdens hun studie aan de Oklahoma State University (Stillwater, Okla., V.S.). In 2008 voegden ze zich bij het kleine Formula SAE-team van de school, dat werkte aan een ontwerp voor een voertuig in Formule 1-stijl op kwartschaal om deel te nemen aan een aanstaand internationaal evenement van de collegiale engineering- en ontwerpwedstrijd van Formula SAE. Om de broodnodige financiering van lokale aardgasbedrijven aan te trekken, hielpen Villarreal en Tate het voertuig van het team om te bouwen naar gecomprimeerd aardgas (CNG), maar ontdekten dat de volledig metalen CNG-opslagtank die ze gebruikten zo zwaar was dat het de auto aantastte. zo laag brandstofverbruik dat ze de auto vele malen moesten bijtanken tijdens de 24-uurs uithoudingsproef van de competitie.

"Na de race gingen we terug en deden wat onderzoek, en kwamen erachter dat tankmassa een groot probleem was in veel verschillende industrieën, en een sleuteltechnologie was voor zowel schone energie voor transport als ruimteverkenning", zegt Villarreal.

Tijdens hun onderzoek naar technologieën die lichtere CNG-tanks mogelijk maken, zegt Villarreal dat hij en Tate begonnen na te denken over concepten voor de Type V, linerless composiettanks die in de industrie werden geprezen als de "Heilige Graal" van drukvaten. Later in 2008 richtten Villarreal en Tate een bedrijf op met de naam CleanNG LLC om in eerste instantie hogedruktanks voor aardgasopslag te ontwikkelen. Sinds 2013 wordt het cilindrische, volledig uit koolstofvezel samengestelde oneindige CPV-drukvat van het bedrijf gebruikt in grondgebonden en industriële toepassingen om, zoals oorspronkelijk ontworpen, gecomprimeerd aardgas op te slaan, en ook, in toenemende mate, gecomprimeerde krypton-, stikstof- en heliumgassen. .

Terwijl het bedrijf bleef werken aan het ontwerp van het drukvat, zegt Villarreal, begonnen bedrijven die ruimtevoertuigen bouwden contact te zoeken met CleanNG met onderzoeks- en ontwikkelingsfinanciering om versies van hun tanks te ontwikkelen voor gebruik op ruimtevaartuigen. "Na een tijdje werd de businesscase aantrekkelijker voor ruimte", zegt Villarreal.

In 2016 veranderde het bedrijf zijn naam in Infinite Composites Technologies, en in de jaren daarna heeft ICT zich voornamelijk gericht op commerciële ruimteprojecten, hoewel Villarreal zegt dat het bedrijf ook werkt aan defensietoepassingen zoals raketmotorbehuizingen, evenals militaire vliegtuigen en onbemande lucht voertuigen. Als onderdeel van deze overgang is het cilindrische oneindige CPV-tankontwerp geïntegreerd in verschillende raketlanceervoertuigen die naar verwachting in 2020 zullen vliegen.

De CryoSphere, zegt Villarreal, is in wezen een evolutie van de originele oneindigeCPV-tank.

De CryoSphere ontwikkelen

Naarmate de focus van ICT meer en meer werd gericht op de behoeften van ruimtevaartuigen, zegt Villarreal:"We begonnen een trend te zien dat de echte uitdaging het maken van samengestelde cryotanks was." Cryogene tanks, of cryotanks, zijn drukvaten die speciaal zijn ontworpen om niet alleen hoge drukken te weerstaan, maar ook extreem lage temperaturen, zoals temperaturen onder 200°F die nodig zijn voor de opslag van vloeibare stikstof, vloeibare zuurstof, vloeibaar methaan of andere gebruikte brandstoffen en oxidatiemiddelen om ruimtelanceervoertuigen aan te drijven.

Het bedrijf vroeg financiering aan bij de staat Oklahoma en ontving in 2013 een driejarige subsidie ​​van $ 300.000 van het Center for the Advancement of Science and Technology (OCAST) voor materiaalkarakterisering en het testen op materiaalniveau van een cryotankconcept. "Het project was redelijk succesvol", zegt Villarreal. "We hebben een aantal goede materiële kandidaten gevonden en hadden een goede indicatie dat we verder konden met het concept en andere dingen konden gaan aanvragen."

ICT presenteerde zijn cryotankconcept in 2018 aan NASA's Johnson Space Center (Houston, Texas, VS) en startte later een snel ontwikkelingsproject voor een composiet cryotank voor gebruik in een maanlander-demonstratievoertuig - een voertuig dat, zegt Villarreal, vergelijkbaar was naar NASA's vorige Morpheus verticale start en verticale landing (VTVL) testvoertuig. De prestatie-eisen van de tank omvatten het vermogen om 10 cycli vloeibare stikstof (LN2) bij een druk van 100 psi te weerstaan, waarbij de temperatuur tot -290 ° F en vervolgens terug naar de omgevingstemperatuur daalt. Bovendien kon de tank niet meer dan 10 psi dalen tijdens een heliumcontrole van 30 minuten tussen elke LN2-cyclus, en moest hij een cryo-uitbarsting na de cyclus van 1000 psi (± 100 psi) weerstaan.

De eerste testronde op een cilindrische cryotank was een gedeeltelijk succes en overleefde slechts vijf cryogene cycli. "We hebben het project versneld en het ontwerp in ongeveer acht weken omgezet", zegt Villarreal. "Het was een waanzinnige rush", geeft hij toe, "en de tank overleefde een paar thermische cycli, maar toen begon hij te lekken." Het probleem was microscheurtjes in het laminaat. Het team voltooide het testen en ging toen "terug naar de tekentafel", zegt Villarreal.

"De kerntechnologie zit in de materialen", zegt Efren Luevano, engineeringmanager bij ICT. De CryoSphere is gemaakt van Toray (Tokyo, Japan) T800-koolstofvezel en een epoxyhars, en vervaardigd via filamentwikkeling, uitgehard bij kamertemperatuur en nagehard in een industriële oven (in tegenstelling tot een autoclaaf) in de Tulsa-faciliteit van ICT.

In een poging om het microkraakdilemma op te lossen, begon ICT met het iteratief testen van verschillende soorten additieven in een gepatenteerde, chemisch geharde epoxyharsmatrix, in verschillende concentraties. Tijdens het proces ontdekte het team een ​​combinatie van twee additieven die, toen de tank opnieuw werd getest, ervoor zorgden dat het ontwerp aan de thermische vereisten voldeed. Een daarvan is grafeen.

"Voor dit geval gebruiken we grafeen als mechanische versterking op nanoschaal", zegt Villarreal. Hij legt uit dat de grafeenplaatjes, geleverd door Applied Graphene Materials (Cleveland, U.K.), zich uitstrekken over de ruimte tussen de vezels en een obstakel vormen voor de vorming van scheuren in het laminaat. Het grafeen verbetert ook de sterkte van de verbindingen tussen de lagen.

"Wat u probeert te doen, is de vezels op hun plaats houden terwijl u de tank onder druk zet en de tank belast", legt Villarreal uit. Bij lage temperaturen wordt de hars broos en begint te breken - als er druk op de vezels wordt uitgeoefend, beginnen ze over elkaar te glijden en de chemische bindingen ertussen te verbreken, zegt hij. De grafeenplaatjes fungeren als mechanische versterking tussen de vezellagen, waardoor de kans op beweging en breuk wordt verkleind.

Er is ook een extra gepatenteerd additief in de matrix opgenomen, waardoor het laminaat taaier wordt bij lage temperaturen en meer isolerende eigenschappen in het laminaat worden gecreëerd. Naast microscheuren, "is isolatie een van de uitdagingen van deze cryotanks", zegt Villarreal. Bij het testen duurde het nieuwe CryoSphere-ontwerp met de met grafeen versterkte hars bijna een uur met vloeibare stikstof erin "om uiterlijke tekenen van kou te vertonen". Hoewel hier geen specifieke vereiste voor was, voegt hij eraan toe dat bij eerdere tanks die waren getest met vloeibare stikstof, er binnen 10 minuten na het vullen van de tank met vloeibare stikstof ijs was gevormd op het externe tankoppervlak.

Naast de cryogene compatibiliteit, voegt Luevano eraan toe dat het bolvormige ontwerp een uitdaging op zich was. Volgens Villarreal is het voordeel van de bolvorm dat het een betere verpakkingsefficiëntie mogelijk maakt voor toepassingen met krappe of specifieke afmetingen, zoals maanlanders. Een uitdaging was echter dat de kans op slippen tijdens de fabricage groter was op een bolvormig oppervlak dan op een cilindrisch oppervlak, wat volgens Villarreal te wijten was aan zowel de benodigde wikkelhoek als aan het feit dat de oppervlakteafwerking op de doorn niet genoeg wrijving veroorzaakte om te blijven de natte geïmpregneerde vezels op hun plaats - die beide de vezelcontrole en het leggen moeilijker maakten. Een andere uitdaging was dat de patroonontwerpsoftware die het team gebruikte, was geoptimaliseerd voor cilinders en geen haalbare patronen voor de bol kon genereren met behulp van de normale workflow. "We moesten creatief zijn met tijdelijke oplossingen", voegt hij eraan toe.

Het bolvormige ontwerp hielp ook bij het probleem van microscheuren - een onbedoeld voordeel, zegt Villarreal. Het team realiseerde zich in een vroege ontwerpiteratie dat er een temperatuurverschil van ongeveer 150 ° F was tussen de bodem van de tank en de bovenkant van de tank, veroorzaakt door het urenlange vulproces waarbij vloeibare stikstof op de bodem van de helft zat. van de tank bij -290°F terwijl gasvormige stikstof die de bovenste helft vulde slechts bij -140°F was. "Als je die zeer scherpe temperatuurgradiënten in het laminaat krijgt, kan dit breuken veroorzaken, omdat het ene deel in een ander tempo probeert uit te rekken dan het andere deel", zegt Villarreal. Die gradiënt tussen de boven- en onderkant van de tank wordt verminderd met een kleinere, bolvormige vorm, waardoor het temperatuurverschil wordt verkleind.

Nieuw, geoptimaliseerd ontwerp in de hand, ICT tekende eind 2019 een contract met NASA's Kennedy Space Center (Cape Canaveral, Florida, VS) om twee bolvormige, cryogene tanks te leveren voor tests die half zo groot waren als de cilindrische Morpheus lander tanks. "Onze CryoSpheres hebben alle thermische cyclustests voltooid met heliumcontroles tussen elke cyclus om er zeker van te zijn dat er geen microfracturen waren ontstaan", zegt Villarreal. "Voor zover wij weten", voegt hij eraan toe", streden drie andere leveranciers om dit contract, maar tegen de tijd dat we de tests hadden voltooid, had geen van de andere leveranciers zelfs hun eerste prototypes gemaakt."

Volgende stappen richting ruimtevlucht

Tests zijn aan de gang. ICT ontving ook financiering voor NASA's MISSE-programma, dat materialen naar het International Space Station (ISS) lanceert voor experimentele doeleinden. Hiervoor heeft ICT bollen gemaakt met een diameter van twee en een halve inch - een formaat dat voornamelijk voor testdoeleinden is ontwikkeld, maar dat volgens Villarreal kan worden gebruikt in toepassingen zoals pneumatische systemen voor robots. "Ze zien er vreemd uit als kleine granaten", merkt hij op. ICT heeft in februari 2020 vijf van deze CryoSpheres geleverd aan NASA's Langley Advanced Research Center (Hampton, Virginia, VS). De lancering van de MISSE naar het ISS was aanvankelijk gepland voor augustus 2020, maar is uitgesteld tot waarschijnlijk november, zegt Villarreal. Eenmaal afgeleverd bij het ISS, zullen de CryoSpheres aan de buitenkant van het station worden geplaatst en ongeveer zes maanden worden bestudeerd met stralingssensoren eraan bevestigd, om het uithoudingsvermogen van de materialen te testen wanneer ze worden blootgesteld aan hitte en straling terwijl ze in een baan om de aarde draaien en direct worden blootgesteld naar de zon. Als deze testen succesvol zijn, krijgt ICT de CryoSpheres terug voor aanvullende cryogene testen en om de effecten van stralingsblootstelling op de materialen te beoordelen. Van primair belang is hoe chemische bindingen in de hars kunnen worden beïnvloed.

Daarna, zegt Villarreal, is de volgende stap vluchtkwalificatie. Hij zegt dat ICT al ongeveer de helft van de kwalificatietests heeft voltooid met behulp van een op maat gemaakte versie van de S-081B-standaard van het American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA), en verwacht dat de rest van de tests tegen het einde van de derde kwartaal van 2020.

Het bedrijf is ook van plan om de tank te vergroten tot 48 inch in diameter, de maat die is gespecificeerd voor commerciële maanlanders in ontwikkeling door NASA, en werkt aan partnerschappen om de CryoSphere naar de maan te sturen.

"Ons team verlegt de grenzen van wat mogelijk is met volledig samengestelde tanks", besluit Villarreal. "Deze technologie heeft het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de verkenning van de ruimte en duurzaam transport."