CFRP-module bespaart gewicht op raketontwerp

"Ambitieus" is misschien een ingetogen karakterisering als het gaat om de doelen van de ruimtevaartindustrie om de kosten van ruimtevervoer te verlagen. Een voorbeeld hiervan is dat de Amerikaanse National Atmospheric and Space Administration (NASA, Washington, DC) meldt dat een van haar doelen is om de kosten van het in een baan om de aarde brengen van een lading te verlagen van $ 10.000/lb vandaag tot honderden dollars per pond binnen 25 jaar, en tientallen dollars per pond binnen 40 jaar. Aan de andere kant van de Atlantische Oceaan zijn de doelen ook verheven:de European Space Agency (ESA, Parijs, Frankrijk) heeft bijvoorbeeld zijn intentie uitgesproken voor de Ariane 6 raket om de ladingskosten per kilogram van de SpaceX (Hawthorne, CA, VS) Falcon 9 te evenaren of te verslaan , geschat op minder dan $ 7.500/kg voor een geosynchrone omloopbaan (waar de meeste satellieten zich bevinden) en minder dan $ 3.000/kg voor een lage baan om de aarde.

Het zou dan ook geen verrassing moeten zijn dat structurele lichtgewichtverlichting van raketten wordt nagestreefd door tal van organisaties in de ruimtevaartindustrie, of dat composietmaterialen bij dergelijke inspanningen worden getoond. Succes in deze bezigheden hangt in eerste instantie af van het vinden van manieren om lichtgewichtdoelen te bereiken en tegelijkertijd te voldoen aan de normen die al zijn vastgesteld voor metalen basiscomponenten, inclusief onderdeelgeometrie en thermomechanische eigenschappen.

Gelukkig hebben dergelijke beperkingen de leerstoel Carbon Composites van de Technische Universiteit van München (TUM, München, Duitsland) er niet van weerhouden de vroege schattingen van een mogelijke 30% gewichtsvermindering van de wetenschappelijke nuttige ladingsmodule van een onderzoeksraket te overschrijden. De eerste dergelijke koolstofvezelversterkte polymeer (CFRP) -module, die TUM ontwierp en bouwde in het kader van het Rocket Experiments for University Students (REXUS)-programma, bereikte een gewichtsvermindering van meer dan 40%, meldt Ralf Engelhardt, onderzoeksmedewerker bij de leerstoel van koolstofcomposieten. Een dergelijke gewichtsvermindering levert tal van kostenbesparende opties voor de missie op:zwaardere ladingen, hogere apogees of een lager brandstofverbruik.

Ontwerpen binnen randvoorwaarden

De raketmodule van TUM bestaat uit een deel van de REXUS-onderzoeksraket, die wordt gefinancierd door het Duitse lucht- en ruimtevaartcentrum (DLR, Keulen, Duitsland), de Zweedse nationale ruimtevaartorganisatie (SNSA, Stockholm, Zweden) en de ESA, en die universitaire projecten in heel Europa financiert . Twee keer per jaar worden REXUS-onderzoeksraketten gelanceerd om universitaire experimenten tijdens suborbitale vluchten mogelijk te maken. Ze vliegen tot een maximale hoogte van 80-100 km, met een maximale verticale snelheid van ongeveer 1.200 m/s en een maximale versnelling van ongeveer 20G. De basisstructuur van de wetenschappelijke payload-modules is van aluminium, met een buitendiameter van 356 mm en een lengte van 300 mm. De TUM CFRP-module is ontworpen voor REXUS Mission 23, waarvoor de huidige verwachte lanceringsdatum begin 2019 is.

Hoewel het REXUS-programma doorgaans universitaire wetenschappelijke projecten ondersteunt die in worden uitgevoerd, de wetenschappelijke payload-modules, is het TUM-project uniek omdat het onderwerp van het experiment de samengestelde module is zelf — het ontwerp, de fabricage, de prestaties en de kwalificatie voor vluchten. "Ons primaire doel was om aluminium te vervangen door CFRP, wat niet de typische missie is", benadrukt Engelhardt.

De module bestaat uit een cilindrische CFRP-omhulsel - 356 mm in diameter en 300 mm lang, zoals het originele aluminium - en twee thermoplastische composiet radiaal-axiale (radax) belastinginvoerringen, een mannelijke en een vrouwelijke, die zorgen voor boutverbinding met aangrenzende modules . Het CFRP-ontwerp is gemaakt om te voldoen aan specifieke geometrische en thermomechanische eigenschapsvereisten, noodzakelijk omdat de module moet presteren volgens normen die consistent zijn met de rest van de raket. Daarom was de geometrie van de module vooraf gedefinieerd, inclusief een vereiste om te passen bij de wanddikte van de aluminium versie. Ook moest de module dezelfde stijfheid bereiken als de aluminium uitvoering. De minst flexibele modulekenmerken zijn de geometrie en mechanische eigenschappen van de belastinginvoerringen van de module, die hun positie en integriteit moeten behouden ten opzichte van de modules waaraan ze zijn bevestigd.

De TUM-module is gemaakt van koolstofvezel/polyetheretherketon (PEEK) materiaal, geselecteerd vanwege zijn hoge mechanische en thermische prestaties, evenals zijn hogere specifieke sterkte en stijfheid in vergelijking met aluminium. In de uiteindelijke montage wordt een kurklaag met lijm aan de schaal gehecht om thermische isolatie te bieden. Naast de verwachte gewichtsreductie van 30%, streefde TUM ook naar een efficiënte productieaanpak. Het oorspronkelijke ontwerp omvat een fabricageconcept waarbij de radax-ringen worden geperst uit langvezelige thermoplastische (LFT) korrels, uit de vorm gehaald en klaargemaakt voor integratie; vervolgens wordt de volledige module gelegd met behulp van thermoplastische geautomatiseerde vezelplaatsing met in-situ consolidatie (TP-AFP).

Omdat de module zelf als het primaire 'experiment' diende, had TUM natuurlijk de mogelijkheid om de benodigde apparatuur voor secundaire experimenten in de module te laden. Het team koos ervoor om de interne temperatuur van de composietstructuur te meten met behulp van ingebouwde glasvezelsensoren (FOS). Engelhardt legt uit dat FOS werd gekozen boven thermokoppels omdat hun dunne diameter en vezelachtige vorm resulteren in een minimale vermindering van de mechanische prestaties van de CFRP-schaal, en omdat optische signalen niet gevoelig zijn voor verstoring in de elektromagnetische velden die de raket tegenkomt. Vier FOS - in het bijzonder Bragg-raspen (FBG) -sensoren met capsulevezels - worden tijdens de TP-AFP-productie op verschillende posities en diepten in het laminaat ingebed en worden later verbonden met een meetsysteem in de module die de sensoren bedient. Het meetsysteem verzamelt en beheert de gegevens en zorgt voor een downlink naar het grondstation.

Productieproces in twee stappen

Om de module te vervaardigen, vormt het TUM-team eerst de ringen. Victrex plc (Lancashire, VK) PEEK 450CA30 LFT-korrels (met koolstofvezel in lengtes van 2-3 mm) worden geperst tot ringvormige mallen. De pers wordt verwarmd tot 390˚C, samengeperst met toenemende kracht (50-200 kN), vervolgens afgekoeld en uit de vorm gehaald bij 100˚C.

De schaal is gemaakt van Teijin (Tokyo, Japan) Tenax unidirectionele koolstofvezel/PEEK prepreg-tape op TP-AFP-apparatuur van AFPT GmbH (Doerth, Duitsland). Het TP-AFP-proces maakt in-situ consolidatie van de thermoplastische tape bij kamertemperatuur op de CFRP-belastinginvoerringen mogelijk. Er is geen autoclaafconsolidatie vereist en de consolidatie op de eerder vervaardigde ringen elimineert de noodzaak voor extra mechanische bevestigingsmiddelen of lijmen. Engelhardt is blij met het resultaat van dit proces in twee stappen. "Dit is een nieuwe combinatie", merkt hij op. "Het is altijd een uitdaging om in-situ consolidatie uit te voeren met thermoplastische tape, maar hier hebben we de tape met succes op dikke, monolithische ringen geplaatst."

Engelhardt is ook blij met de FOS-integratie, wat een nieuwe technische uitdaging was. TUM had ervaring met het gebruik van FOS in zuivere hars, maar niet in een composietlaminaat, en niet met het gebruik van een thermoplastisch AFP-proces. Het team ging deze uitdaging aan en behaalde vliegkwalificatieprestaties.

Tot slot is de module voorzien van een apart schot, dat dient als montageplaat voor meetapparatuur. Het schot is thermisch gevormd tot zijn koepelvorm van een platte organoplaat die is samengesteld uit hetzelfde koolstofvezel/PEEK-materiaal als de cilinder van de module.

Ontwerp tot kwalificatie

Om vliegkwalificatie te bereiken, heeft TUM dit project door een volledig test-, simulatie- en evaluatieproces geleid. Eerst werden materialen op couponniveau gekarakteriseerd bij kamertemperatuur en bij een maximale gebruikstemperatuur van 135˚C. Het testen van subcomponenten hielp om aanvaardbare interlaminaire afschuifprestaties van de interface tussen ringen en schaal te garanderen, evenals voldoende treksterkte van de bevestigingsmiddelen die werden gebruikt om de modules van de raket te verbinden. Gegevens uit de eerste tests leverden input voor simulatie en ontwerp.

De structurele analyse van eindige elementen hielp het team om de laminaatlay-out te optimaliseren. Het resultaat voor de cilinder is een symmetrische lay-up van 34 lagen (0˚/±15˚/±45˚/90˚). Na de fabricage van de module voerde TUM tests op volledige schaal uit. Om te voldoen aan de vliegkwalificatiebelastingen onderging de module trillingstests van 0-300 Hz met een frequentieniveau van 0,083 g ² /Hz. Het onderging ook een buigtest, die succesvolle prestaties aantoonde onder de kwalificatiebelasting van 14 kNm.

Er komen nog meer verbeteringen

De REXUS 23-missie was oorspronkelijk gepland voor maart 2018, maar werd uitgesteld vanwege moeilijkheden tijdens een eerdere REXUS-missie. De lancering is nu gepland voor eind februari of begin maart 2019 vanuit Kiruna, Zweden. Het TUM-team profiteerde van de extra tijd door een tweede module te bouwen en deze afgelopen herfst te testen/kwalificeren. In deze nieuwe eenheid liet het team de ringen centrifugaal gieten door Elekem Ltd. (Lancashire, VK), in plaats van de ringen voor de invoer van de lading te persen. De grondstoffen zijn hetzelfde, zegt Engelhardt, en de originele module met de geperste ringen voldeed aan alle vliegkwalificaties. Maar de nieuwe module brengt de ringprestaties van een acceptabel niveau dichter bij een ideaal niveau. "Het persvormingsproces moet nog worden geoptimaliseerd", zegt Engelhardt, "maar het is veelbelovend."

Een toekomstig doel, meldt Engelhardt, en de reden waarom TUM in de toekomst zal terugkeren naar persvormen, is om de ringen te maken van afvalmateriaal uit het AFP-proces. "We nemen uitsnijdingen en materiaal dat overblijft op een rol, versnipperen het en gebruiken die kleine stukjes om de ringen te persen", legt hij uit. Met beperkte gegevens en ervaring met betrekking tot dit recyclingproces, was TUM niet in staat het te implementeren binnen de tijds- en budgetbeperkingen van haar Mission 23-werk. De hoop is om de ringen gemaakt van gerecycled materiaal te bouwen en te kwalificeren voor een nabije toekomstige ruimtevlucht.

Zodra de missie is voltooid, zal TUM de FOS-gegevens gebruiken om een ​​gedetailleerder beeld te krijgen van de thermische belastingen op de module tijdens de vlucht. Dergelijke kennis kan leiden tot wijzigingen van de materiaalkeuze, evenals het ontwerp en de dimensionering van de module. "Thermische simulaties zijn uitgevoerd op basis van eerdere metingen, maar we zullen binnenkort echte gegevens hebben", benadrukt Engelhardt. "Het kan zijn dat we de glasovergangstemperatuur van PEEK (T_g ) van 143˚C”, illustreert hij. “Een lagere T_g betekent dat we mogelijk een goedkoper polymeer kunnen gebruiken.”

Zowel een goedkoper polymeer als het gebruik van gerecyclede materialen zullen bijdragen aan het algemene doel van de ruimtevaartindustrie om de kosten van ruimtevervoer met orden van grootte te verlagen. Maar de grootste bijdrage van TUM's REXUS-inspanningen is ongetwijfeld de 40% gewichtsvermindering die al is bereikt.