Doorbraak in linerloze CFRP cryogene tanken voor Europese lanceraars

MT Aerospace AG (Augsburg, Duitsland), een dochter van ruimte- en technologiegroep OHB SE (Bremen), heeft een belangrijke mijlpaal bereikt in de gerichte ontwikkeling van een carbon fiber-versterkte polymer (CFRP) bovenste trap voor een toekomstige Europese lanceraar. Een prototype van de high-performance CFRP tank gericht op rakettemotoren werd getest op het DLR Duitse lucht- en ruimtevaart testcentrum in Trauen, Duitsland, als onderdeel van het ComET project van de Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA) binnen het Future Launchers Preparatory Programme (FLPP).

"Het testresultaat is een breekbare succes in Europa; immers, brandstoftanks zijn veiligheidskritieke elementen in elk aandrijvingssysteem," legt Hans Steininger, CEO van MT Aerospace AG, uit. "We hebben bewijs geleverd dat een high-performance drukvat van CFRP cryogene stress kan weerstaan. In de toekomst zou het gebruik van CFRP high-performance tanks niet alleen veilige rakettelanceringen mogelijk maken, maar kan ook het voordeel van significant lager gewicht ten opzichte van metalen tanks benutten."

Uitgebreide testcampagne bij cryogene temperaturen

De testcampagne werd in meerdere fasen uitgevoerd, aangezien waterstof speciaal behandeld en opgeslagen moet worden; volgens het bedrijf neemt waterstof alleen een vloeibare toestand aan bij 20 K (-253,15°C, -423,67°F). Het testmonster, een tank met een diameter van 400 millimeter, werd eerst onderworpen aan een helium lektest bij kamertemperatuur en bij ongeveer 77 Kelvin (-196,15°C, -321,07°F). Vervolgens werd het gevuld met vloeibare (cryogene) waterstof (LH₂). Na het vullen werd de tank onder druk gezet boven de superkritieke LH₂ druk om een spanningsconditie te bereiken die te verwachten is bij gebruik in een rakettevlucht. MT Aerospace kon met succes aantonen dat de door hen ontwikkelde en geproduceerde CFRP tank aan de gespecificeerde eisen voldoet wat betreft LH₂ dichtheid over de gehele belastinggeschiedenis, zelfs wanneer blootgesteld aan een combinatie van cryogene thermische belasting en gelijktijdige, hoge mechanische belasting. Verdere vul- en leegloopcycli onderstrepen het uitstekende gedrag van de tank.

Om de kwaliteit van de tank te bevestigen, werd een additionele helium lektest voltooid. Dit gaf MT Aerospace de goedkeuring voor een volgende test, die zich zal richten op de reactie van de tank wanneer gevuld met vloeibare zuurstof (LOₓ) onder cryogene omstandigheden. Deze tweede testcampagne is bedoeld om aan te tonen dat het geselecteerde CFRP materiaal geschikt is voor gebruik met beide media (vloeibare waterstof en vloeibare zuurstof) in een toekomstige bovenste trap.

Basis voor PHOEBUS project

Voor MT Aerospace vormt het testresultaat een stevige basis voor de komende materiaalkeuzes binnen het kader van het PHOEBUS bovenste trap demonstrator project, waarvoor ArianeGroup (Bremen, Duitsland) recentelijk de opdracht kreeg. Het project heeft als doel tanks met een diameter van twee meter te definiëren, produceren en testen voor eind 2022, ter voorbereiding op een nabij full-scale structurele bovenste trap demonstrator.

"De testresultaten zijn zeer aanmoedigend voor ons, vooral in het licht van onze recente investering om de CFRP productieomgeving van het bedrijf uit te breiden," voegt Dirk Lanuschny, head of Launcher Programmes bij MT Aerospace AG, toe, verwijsend naar een automated fiber placement (AFP) faciliteit die de productie van tanks met diameters typisch voor lanceraars in begin 2022 mogelijk zal maken. "Als deel van het PHOEBUS project, willen we de twee cryogene tanks [LH₂, LOₓ] evenals de primaire structuren van een bovenste trap demonstrator met een diameter van 3,5 meter produceren."