Linerloze Type V composiet tank met 30% gewichtsbesparing

Het National Composites Centre (NCC, Bristol, VK), met industrie begeleiding van luchtvaartfabrikant Thales Alenia Space (Cannes, Frankrijk), heeft een all-composiet linerloze (Type V) tank demonstrator geproduceerd onder het SpaceTank project. Deze is representatief voor die gebruikt voor lancervehikel en satelliet brandstoftanks, met een geschatte gewichtsbesparing van 30% vergeleken met conventionele metalen brandstoftanks in huidig gebruik. Het NCC heeft dit gedemonstreerd om het VK belang te wekken in de productie van composiet tanks voor toekomstige ruimtevaart aandrijvingsbehoeftes. Volgens het NCC toont deze showcase project aan hoe geavanceerde composiet technologie een vitale rol kan spelen in toekomstige geëngineerde structuren in ruimtevaart aandrijving door het structurele gewicht van de tank te verlagen en satelliet lancerskosten te verlagen (download PDF van de case study).

Projectdoelstellingen

Het overarchend doel voor het SpaceTank project was om VK-gebaseerde onderzoek- en ontwikkeltools te ontwikkelen die nodig zijn voor de productie en inspectie van cryogene drukvaartuigen. Specifiek focuste het één-jarige project op het ontwikkelen van een nieuwe productieoplossing voor tanks om cryogene brandstoffen te houden.

Internationale context

De ruimtevaartindustrie erkent de cruciale rol van composiet materialen in de ruimte, met sommige bedrijven die al hun gebruik in ruimte tank ontwerpen verkennen. Bijvoorbeeld, Virgin Orbit (Long Beach, Californië, VS) en RocketLab (Auckland, Nieuw-Zeeland) hebben beide composiet tanks ontwikkeld en gedemonstreerd als alternatieven voor metaal voor de Launcher One en Electron raketten respectievelijk. In Australië zoeken Omni Tanker (Smeaton Grange) en partners een composiet linerloze vloeibare waterstof tank (LH₂) te ontwikkelen en commercialiseren, en dichterbij huis in Europa ontwikkelt MT Aerospace (Augsburg, Duitsland) materialen en productiemethoden en ondergaat tests voor een nieuwe rakettank. Het NCC SpaceTank project wordt verwacht de VK te positioneren als sleutelspeler in dit veld.

Technische specificaties en productieproces

De NCC SpaceTank demonstrator is 750 millimeter lang, heeft een diameter van 450 millimeter en een vloeistofopslagcapaciteit van meer dan 96 liter. Het is ontworpen en geproduceerd met een nominelle wanddikte van 4,0-5,5 millimeter, wat de tank in staat stelt 85 bar geperprimeerde brandstof te weerstaan. De carbon fiber composiet hoofdbody bestaat uit 8 kilogram materiaalmassa, maar volgens het NCC, als met alle geëngineerde structuren, zijn er verdere optimalisatiemogelijkheden met SpaceTank om deze gewichtsreductie verder te verbeteren. Bovendien kan de drukw aardering van de NCC SpaceTank verhoogd worden met het gebruik van hogere sterkte carbon vezels en door de composiet dikte te vergroten. Alternatief kan de SpaceTank geoptimaliseerd worden voor gewicht en kosten voor veel lagere druktoepassingen door een dunner en lagere stijfheid composiet materiaal te gebruiken.

Tijdens het SpaceTank project ontwikkelde het NCC team een innovatieve methode voor het opnemen van de metalen vloeistof klep poorten in het wasbare gereedschap, om de noodzaak voor secundaire assemblage en bonding operaties voor het eindproduct te verwijderen. Deze vloeistof klep poorten werden in de nieuwe tooling vastgehouden, wat hen in staat stelde om geco-bonden te worden aan de carbon fiber tijdens de latere fase van het productieproces.

De tank's hoofdbody gebruikt MTC510 epoxy carbon fiber prepreg geleverd door SHD Composites (Mooresville, NC, VS) in een 300-millimeter tape breedte. MTC510 is een epoxy harsysteem specifiek ontworpen om te verharden tussen 80°C en 120°C en is getoughened om de schade tolerantie te verhogen.

Dit materiaal werd voorbereid voor het SpaceTank productieproces door Bindatex (Bolton, VK), die ook nauwkeurige smalle breedte slitting van de tape uitvoerde en 22.000 meter (ongeveer 72.178 voet) van het materiaal in een 6,35-millimeter formaat terugleverde, voorbereid in overeenstemming met de NCC's eis voor gebruik in zijn Coriolis (Queven, Frankrijk) automated fiber placement (AFP) productiecel.

De geslitste tape werd op het wasbare tooling gelegd met behulp van de Coriolis AFP systeem's gespannen filament winding operatie. Een combinatie van helicale en hoop winding, ontworpen door NCC ingenieurs met behulp van Material's Cadwind (Brussel, België) filament winding software, werd gebruikt om meer dan 24 lagen van het materiaal te leggen tot een nominelle 5,5-millimeter dikte. De dikte en richting/hoek van winding die hier gebruikt werd was alleen voor demonstratie; het is mogelijk voor het NCC om de composiet wanddikte te verhogen of verlagen en de winding hoek en laagstructuur volledig te optimaliseren voor een specifieke druk of belastingseis.

Onmiddellijk na de materiaaldepositie werd de NCC SpaceTank geïnspecteerd op defecten en diktevariatie. Vervolgens werd het in de autoclave gecured bij 100°C en na-curing opnieuw geïnspecteerd. Ultrasonic C-scanning en thermografie non-destructieve test (NDT) inspectietechnieken werden na curing gebruikt, en deze methoden werden vergeleken en gecontrasterd voor geschiktheid van het inspecteren van toekomstige tanks op defecten zoals delaminatie en porositeit. Ten slotte, na voltooiing van de NDT kwaliteitsbeoordeling, werd de interne tooling kern uitgewassen met geperprimeerd koel water om de binnenste tankholte leeg te laten.

Tooling innovatie met water-oplosbare kern

Volgens het NCC bleek de tooling techniek voor de linerloze SpaceTank moeilijk, wat leidde tot de ontwikkeling van een gietproces in partnerschap met AeroConsultants (Huntingdon, VK) met behulp van het bedrijfs Aqua water-oplosbare kernmateriaal. Het voltooide gereedschap heeft een gecentraliseerde mannelijke kern met een nominelle 30-millimeter wanddikte die in twee delen wordt gegoten en vervolgens gebonden. Het gereedschap heeft drie (wasbare) interne verstevingsringen die ontworpen en geproduceerd zijn om de torsiebelasting te weerstaan die verwacht wordt tijdens de geautomatiseerde composiet legwerk en de druk uitgeoefend tijdens de autoclave curing.

Deze demonstratie door het NCC biedt nu een onderzoeksbasis in het VK voor toekomstige brandstoftank ontwikkeling en helpt een nieuwe VK toeleveringsketen voor state-of-the-art componenten en apparatuur voor composiet tank productie te ondersteunen.

Toekomstperspectief

Toekomstig onderzoek in dit gebied zal naar verwachting ook de toename van het VK aandeel van 5% in de mondiale ruimtevaarteconomie ondersteunen. Een rapport van de VK overheid in mei 2021 toonde aan dat de inkomsten van de VK ruimtevaartindustrie toegenamen van £14,8 miljard in 2016/2017 tot £16,4 miljard in 2018/2019. Het samenvattingsrapport voor de UK Space Agency benadrukte ook dat meer dan 3.000 banen zijn gecreëerd binnen de VK ruimtevaartsector de afgelopen twee jaar (2019-2021).