Hoe composietmaterialen ruimtevaart vormden

20 juli 2019 markeerde de 50-jarige verjaardag van de eerste Apollo-maanlanding. Hoewel op het moment dat de Apollo-capsule gebouwd werd, de composietindustrie nog in de kinderschoenen was en de materialen nog niet wijdverspreid in gebruik waren, gebruikte de Apollo-capsule vroege composiettechnologie in de vorm van een ablatieve warmteschild gemaakt van Avcoat, een epoxy-novolac-hars met silica-vezels in een glasvezel-fenol-honingraat-matrix. Een glasvezel-honingraat was gebonden aan de primaire structuur en de pasta-achtige materiaal werd in elke cel afzonderlijk geïnjecteerd. Sinds Apollo hebben geavanceerde composieten sprongen gemaakt, en hebben een significante rol gespeeld in ruimtevaartprogramma's met gebruik in lancervehicles, de space shuttle, satellieten, ruimtetelescopen en het International Space Station.

Vandaag de dag vindt de mensheid zichzelf klaar voor enkele opwindende nieuwe stappen in ruimtevaart. De huidige administratie heeft een terugkeer naar de maan door VS-astronauten voor 2024 gevraagd en heeft een 2021-budget van meer dan $25 miljard aangekondigd voor het National Aeronautics and Space Administration's (NASA, Washington, D.C., VS) bemande ruimtevaartprogramma. NASA-administrateur Jim Bridenstine zegt dat het budget "één van de sterkste budgets in NASA-geschiedenis is."

Naast een volgende maanmissie, heeft NASA huidige en komende missies om ons zonnestelsel te bestuderen van de zon tot de ijsmanen van de uiterste planeten en verder. Missies om de zon te verkennen zijn momenteel gaande: op het moment van schrijven monitort de Parker Solar Probe de atmosfeer van de zon en een Solar Orbiter is succesvol gelanceerd. Inspanningen zijn ook gaande om de verkennning van exoplaneten en verre sterrenstelsels door de Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS)-missie en de James Webb Space Telescope, de laatste van welke stappen heeft gezet naar launch-gereedheid over het afgelopen jaar.

Nieuwe ruimtevaartuigen en programma's zijn ook in recentere jaren voortgekomen uit verhoogde samenwerking tussen nationale en internationale ruimtevaartorganisaties alsook commerciële bedrijven. Bijvoorbeeld, SpaceX (Hawthorne, Calif., VS), met zijn Crew Dragon-ruimtevaartuig, en Boeing Space and Launch (Arlington, Va., VS), met zijn Starliner-ruimtevaartuig, racen naar de eerste bemande VS-ruimtevlucht sinds de staking van het space shuttle-programma in juli 2011. De twee bedrijven hebben testvluchten uitgevoerd met NASA in de hoop op een bemande missie in 2021.

Van de verhoogde steun voor NASA's ruimtevaartprogramma tot de explosieve groei van commerciële ruimtevaart, lijkt de mensheid werkelijk klaar voor de volgende grote ruimtevaart-eeuw. Composieten en geavanceerde materialen spelen een toenemende rol in de fabricage van de lancers, ruimtevaartuigen en instrumenten die al deze verkennning mogelijk maken.

Maan

Artemis zal een maan-orbit-basis vestigen, waardoor astronauten niet alleen de maan verder kunnen verkennen, maar ook de maan als buitenpost gebruiken voor eventuele missies naar Mars. Verschillende projecten maken het Artemis-programma uit, inclusief een nieuw zwaar lanceringssysteem bekend als de Space Launch System (SLS), het Orion-bemande-vaartuig, een maan-orbit-ruimtestation bekend als Gateway en een maanlander. Geavanceerde composieten spelen een rol in al deze componenten op de een of andere manier.

Zware lancer. SLS-raket-trap wordt voorbereid voor verzending. Bron | NASA

Het Space Launch System (SLS)

NASA's nieuwe zware lancervehicle is gericht op het mogelijk maken van verkennning buiten de aardse baan. In 2015 investeerde NASA in een Electroimpact (Mukilteo, Wash., VS) geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP)-machine om grote raketonderdelen te produceren bestaande uit sandwich-structuren van meer dan 8 meter in diameter gemaakt van koolstofvezelshuiden met een aluminium-honingraat-kern. Het AFP-hoofd houdt tot 16 spoelen koolstofvezel en is gepositioneerd aan het einde van een 21-voet robotarm die de vezels op een hulpmiddeloppervlak plaatst in nauwkeurige patronen om structuren van varierende vormen en groottes te vormen.

Vergelijkbare sandwich-structuren worden gecreëerd door RUAG Space (Decatur, Ala., VS) met een handmatig oppakproces. Het bedrijf werkt met Dynetics (Huntsville, Ala., VS) aan een Universal Stage Adapter (USA) die de bovenste trap van SLS zal verbinden met de Orion-bemande-module. RUAG Space zal de adapter's 8,4-meter-diameter-schil produceren bestaande uit vier composiet-honingraat-kern-kwartierpanelen die samen warmte-gebonden zullen worden (Lees meer).

De Orion Multi-Purpose Crew Vehicle

Bestaande uit een command-module gefabriceerd door Lockheed Martin (Bethesda, Md., VS) en een service-module geleverd door de European Space Agency (ESA, Parijs, Frankrijk) en gefabriceerd door Airbus Defence and Space (Ottobrunn, Duitsland), is Orion het hart van het Artemis-programma en zal astronauten naar de ruimte brengen, dienen als verkenningsvoertuig tijdens ruimtereizen en de bemanning terug naar de aarde brengen.

Orion's aandrijvingssysteem omvat talrijke componenten gefabriceerd door Aerojet Rocketdyne (Sacramento, Calif., VS), inclusief acht 110-pond duw biopropellant hulp-motoren gebaseerd op Aerojet Rocketdyne's R-4D-motorfamilie. Aerojet Rocketdyne levert ook de Launch Abort System (LAS) jettison-motor en composiet-overwikkelde-drukvaten voor het ruimtevaartuig. In begin 2020 installeerde Aerojet Rocketdyne een koolstofvezel-windmachine om zijn vaste-stof-raketmotor-hulzen te produceren (Lees meer).

Voor herintrede gebruikt Orion een 5-meter-diameter koolstofvezel-warmteschild gefabriceerd door Lockheed Martin dat geproduceerd wordt als een sandwichstructuur met koolstofvezelshuiden en een titanium-honingraat-kern. De warmteschild wordt vervolgens bedekt in panelen van Avcoat — hetzelfde ablatieve materiaal gebruikt voor de Apollo-missies (Lees meer).

Vier compressie-pads van ablatief materiaal zijn bevestigd aan de warmteschild met titanium-bouten op punten waar de command-module aan de service-module vastzit. De compressie-pads moeten structurele belasting tijdens lancering en stijging weerstaan, alsook pyro-shock (van ontploffende bouten) tijdens de scheiding van de twee modules. Ze moeten ook voldoen aan herintrede-eisen voor hoge-temperatuurweerstand en ablatie. Koolstofvezel/fenol-pads werden gebruikt op de eerste vlucht Orion-testvoertuig, maar toonden bewijs van inter-laminaire kraken na de vlucht en werden vervangen door een 3D-geweven-oplossing bekend als 3D Multifunctional Ablative TPS (3D-MAT) die een 3D-geweven kwarts-materiaal van Bally Ribbon Mills (Bally, Pa., VS) en een cyanate-ester-harssysteem van Toray Advanced Composites gebruikt (Lees meer).

De Lunar Orbital Platform-Gateway (LOP-G)

Gateway is een maan-orbit-ruimtestation in ontwikkeling door NASA samen met internationale partners inclusief Russische, Canadese, Japanse en Europese ruimtevaartorganisaties. Gateway's rol is om verkennning van de maan te ondersteunen en te dienen als buitenpost voor eventuele missies naar Mars. De diverse modules voor het station zijn in ontwikkeling en zullen waarschijnlijk composietmaterialen op de een of andere manier gebruiken.

A Roll-Out Solar Array (ROSA) ontwikkeld door het Air Force Research Laboratory (AFRL; Dayton, Ohio, VS) en Deployable Space Systems met behulp van high-strain composites (HSC) zal gebruikt worden in het Gateway-programma. HSC's zijn dunne, lichte composietmaterialen geëngineerd om in kleine pakketten te passen en te deployen door uit te vouwen. Het ROSA-systeem gebruikt twee koolstofvezel-HSC-booms om een groot zonnepaneel-blanket uit te rollen en te spannen. (Lees meer over HSC's).

Een andere potentiële bijdrage aan Gateway is de Canadarm-3. Voorgesteld door de Canadian Space Agency (Longueuil, Quebec, Canada), is het toestel een 8,5-meter robotarm gebouwd uit koolstofvezel-composieten. Eerdere Canadarm-systemen zijn gebruikt op de space shuttle en het International Space Station (ISS).

Maanlanders

Talrijke bedrijven werken aan maanlander-systeemconcepten voor Artemis, die allemaal potentieel voor composietmaterialen omvatten. Bijvoorbeeld, Blue Origin (Kent, Wash., VS) partner met Lockheed Martin, Northrop Grumman (Falls Church, Va., VS) en Draper (Cambridge, Mass., VS) op een voorgesteld drie-voertuig maanlandingsysteem: Blue Origin's Blue Moon maanlander, een "Transfer Element"-voertuig geleverd door Northrop Grumman dat het landingssysteem in maan-orbit zal positioneren, en een "Ascent Element"-voertuig geleverd door Lockheed Martin dat astronauten terug naar maan-orbit zal brengen van de maanoppervlakte. Een dalingsgeleidingssysteem en vlucht-avionica zullen geleverd worden door Draper. Verschillende andere bedrijven die werken aan maanlander-concepten omvatten Boeing, Dynetics, SpaceX en Sierra Nevada Corp. (Louisville, Colo. en Madison, Wis., VS).

Naast bemande maanlanders, anticipeert NASA de behoefte aan zowel kleine als middellarge maanlanders om een verscheidenheid aan wetenschappelijke onderzoeken en grote technologie-demonstratie-payloads mogelijk te maken.

Artemis-pakken

In oktober 2019 onthulde NASA twee nieuwe ruimtepak-ontwerpen — een nieuwe Exploration Extravehicular Mobility Unit (xEMU) en de Orion Crew Survival System (OCSS)-pak — die beide gebruikt zullen worden voor de Artemis-programma maanmissies.

Het xEMU-pak biedt naar verluidt een aanzienlijk verbeterde bereik van mobiliteit ten opzichte van pakken momenteel in gebruik voor extravehicular activity (EVA). Volgens ILC Dover (Frederica, Del., VS), die een langdurige relatie heeft met NASA voor het fabriceren van ruimtepakken, is het xEMU-pak een update van een gevorderd wandelpak dat in 2016 aan NASA geleverd werd bekend als de Z-2.

"Sinds 2016 heeft ILC Dover het ontwerp van wandelpakken, alsook zero-g-pakken en lancering-instap-pakken, voortgezet verbeterd," zegt Dan Klopp, productmarketing voor ILC Dover.

De Z-2-ruimtepak-prototype heeft koolstofvezel/epoxy-torso- en heupelementen in het ontwerp. (Zie "On Mars, not just any suit will do" voor meer over composietgebruik in ruimtepakken.)

NASA's OCSS-ruimtepak is ontworpen als een gepersturiseerde lancering- en instap-pak voor Orion-bemanningsleden. Hoewel NASA geen details vrijgegeven heeft over de materialen in het nieuwe ontwerp, is het een veilige wed dat een redelijk hoeveelheid composieten betrokken zijn. Shuttle-era lancering- en instap-pakken hadden een buitenlaag van DuPont's (Richmond, Va., VS) vlamvertragende meta-aramide Nomex. Eerdere Extravehicular Mobility Units (EMUs) hebben combinaties gebruikt van Nomex, de para-aramide Kevlar (ook ontwikkeld door DuPont) en Gore-Tex, een waterdichte, ademende stofmembraan gefabriceerd door W.L. Gore & Assoc. (Newark, Del., VS) (Lees meer).

Mars

Een groot deel van het Artemis-initiatief is de podium zetten om mensen naar Mars te sturen. Ondertussen werkt NASA ook aan een onbemande missie naar Mars deze zomer die een nieuwe robotische rover en een robotische verkenningshelikopter op de rode planeet zal vestigen.

Een capsules-vormige aeroshell zal de Mars 2020-rover beschermen tijdens intrede in Mars' atmosfeer en landing. De aeroshell is gemaakt van een aluminium-honingraat met koolstofvezelshuiden. De warmteschild gebruikt een getegelde phenolic-impregnated carbon ablator (PICA) thermische-beschermingssysteem.

De Mars 2020 Rover zelf is ongeveer 10 voet lang, 9 voet breed en 7 voet hoog (3 meter lang, 2,7 meter breed, 2,2 meter hoog). Hoewel NASA geen details vrijgegeven heeft over de materialen gebruikt om de rover te construeren, is bekend dat Advanced Composites Training (ACT, London, Ontario, Canada) als consultant diende voor NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL, Pasadena, Calif., VS) op het gebruik van composietmaterialen voor de constructie van de Mars 2020 rover (Lees meer).

Met 2.314 pond (1.050 kilogram), zal de rover zwaarder zijn dan de gemiddelde compacte auto. Het moet zowel lichtgewicht als duurzaam zijn voor de reis naar de rode planeet, en ook sterk genoeg om camera's en wetenschappelijke instrumenten, alsook de Mars Helikopter — een ander composiet-intensief toestel dat gebruikt zal worden om de planeet te verkennen — te dragen.

De Mars Helikopter is geconstrueerd uit meer dan 1.500 individuele stukken koolstofvezel, vlucht-kwaliteit aluminium, silicium, koper, folio en schuim en weegt niet meer dan 4 pond (1,8 kilogram) (Lees meer).

Zon

Twee missies zijn momenteel gaande om ons begrip van de zon en haar gedrag te verbeteren, beide met als uiteindelijke doel zonnestormen te voorspellen die terrestrische elektrische systemen, satellietcommunicatie en GPS kunnen beïnvloeden.

Parker Solar Probe

De Parker Solar Probe gelanceerd in augustus 2018 en voert in-situ-metingen en imaging uit om de corona van de zon en zonnewind te bestuderen. Om de extreme temperaturen in deze regio te doorstaan, gebruikt de probe een 4,5-inch-dikte lichte reflecterende schild. Dit thermische-beschermingssysteem (TPS) is gemaakt van koolstofvezel-composiet-schuim gesandwicht tussen twee koolstoflaminaten en gecoat met witte keramische verf op de zon-gerichte oppervlakte. Het schild werd ontworpen door Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (Laurel, Md., VS) en gebouwd bij Carbon-Carbon Advanced Technologies (Kennedale, Texas, VS).

De meeste van de probe's instrumenten zijn verstopt achter de TPS, en sensoren langs de rand van de warmteschild houden het ruimtevaartuig correct gepositioneerd. Zonnepanelen die gebruikt worden om het toestel te voeden, kunnen in de schaduw van de warmteschild ingetrokken worden voor bescherming. Een eenvoudig koelsysteem dat werkt door ongeveer een gallon water te circuleren, wordt ook gebruikt om de zonnepanelen en instrumentatie koel te houden.

In januari 2019 rapporteerde NASA dat Parker Solar Probe functioneerde zoals ontworpen na haar vierde nadering aan de zon, bekend als een perihelion. De TPS van het toestel bereikte een nieuwe recordtemperatuur van 1.134°F (612°C), hoewel het ruimtevaartuig en instrumenten achter deze beschermende warmteschild op een temperatuur van ongeveer 85°F (30°C) bleven. Tijdens de dichtstbijzijnde drie perihelia in 2024-25, zal de TPS temperaturen van ongeveer 2.500°F (1.370°C) zien.

Solar Orbiter

Solar Orbiter, een collaboratieve missie tussen de European Space Agency (ESA) en NASA, gelanceerd in februari 2020. De orbiter is op een unieke baan die haar uitgebreide set instrumenten toestaat de eerste ooit beelden van de polen van de zon te leveren.

Het ruimtevaartuig wordt beschermd door een koolstofvezel-composiet/titanium-gelaagde zonschild met openingen voor diverse instrumenten. Het 324-pond warmteschild kan tot 970°F (521°C) weerstaan en gebruikt een 0,05-millimeter-dikke laag titanium-folie om warmte te reflecteren. Het schild wordt ondersteund door een 2,94-bij-2,56-ondersteuningspaneel dat ongeveer 5 centimeter dik is en gemaakt is van lichtgewicht aluminium-honingraat met twee hoge thermische-geleidingskoolstofvezelshuiden. Verdere bescherming wordt geboden door multi-laag-isolatie capabel van 572°F (300°C) te weerstaan. Solar Orbiter's warmteschild is gecoat met een dunne, zwarte laag calcium-fosfaat.

Boven het zonnestelsel

In augustus 2019 connecteerden ingenieurs bij Northrop Grumman's faciliteiten in Redondo Beach, Calif., VS, de James Webb Space Telescope's (JWST) Optical Telescope Element, wat spiegel en wetenschappelijke instrumenten omvat, en de Space Craft Element, die JWST's zonschild en ruimtevaartuig combineert, voor de eerste keer mechanisch. Hoewel beide componenten van de telescoop afzonderlijk getest zijn, markeert dit de eerste keer dat de twee helften gecombineerd zijn in een enkele observatorium. De mijlpaal was een belangrijke voor Webb aangezien de telescoop richting de geplande lancering in 2021 avanceert.

JWST is de krachtigste en complexste ruimtetelescoop ooit gebouwd — 100 keer krachtiger dan de Hubble-telescoop. Ontworpen om het heelal te verkennen met infrarood licht, zal de telescoop astronomen in staat stellen de meest verre objecten in het universum te observeren, leverend beelden van verre sterren, exoplaneten en de eerste gevormde sterrenstelsels. De telescoop is ook een opwindend voorbeeld van hoe composieten satellieten en ruimtevaartuigen mogelijk maken.

Het telescoop-platform bestaat uit drie hoofdcomponenten — de Optical Telescope Element (OTE), de Integrated Science Instrument Module (ISIM), en de Space Craft Element (SCE), wat het ruimtevaartuig-bus en het tennisbaan-grote zonschild omvat.

JWST gebruikt een koolstofvezel-rugsteun om de spiegels, instrumenten en andere elementen van de telescoop te ondersteunen — een totaal van meer dan 2.400 kilogram (2,5 ton) hardware. De structuur is ook verantwoordelijk voor het stabiel houden van de telescoop tijdens lange periodes van lichtverzameling. De rugsteun mag niet meer varieren dan 38 nanometer ondanks extreme temperaturen variërend van -406°F tot -343°F (-243°C tot -208°C).

De rugsteun is gemaakt van prepreg bestaande uit koolstofvezel geleverd door Toray Advanced Composites en cyanate-ester-hars van Hexcel (Stamford, Conn., VS). De structuur omvat meer dan 10.000 lichte koolstofvezel-composietonderdelen. De gehele rugsteunstructuur omvat de centrale sectie, de vleugel-assemblages en de rugsteun-ondersteuningsfixture (BSF), en meet ongeveer 24 voet hoog bij 19,5 voet breed bij meer dan 11 voet diep (7,3 bij 5,9 bij 3,4 meter) wanneer volledig uitgevouwen. Het weegt slechts 2.180 pond (989 kilogram), maar zal instrumenten van meer dan 7.300 pond (3.311 kilogram) ondersteunen — een payload van meer dan 300% van het eigen gewicht.

Naast de primaire spiegel en rugsteunstructuur, omvat JWST's OTE de Deployable Tower Assembly (DTA), de secundaire-spiegel-ondersteuningsstructuur en het ISIM-framework dat de wetenschappelijke instrumenten en koelsystemen van de telescoop huisvest. Deze structuren zijn gemaakt met een prepreg van ultra-hoge-modulus koolstofvezel en cyanate-ester-hars van Toray Advanced Composites.

"Deze materialen zijn erg goede optische-bank-materialen," zegt Sean Johnson, productmanager, thermoharden voor Toray. "De hoge stijfheid van de UHM-vezel biedt een zeer stabiele structuur [en] biedt een zekere mate van demping. Het is erg goed bij de lage temperaturen [JWST] zal zien."

De SCE, of ruimtevaartuig-bus, is ook gemaakt van Toray's koolstofvezel-composieten en huisvest het ruimtevaartuig's aandrijving, observatorium-ondersteuningssystemen, zonne-energie, actieve koelsystemen en communicatie. De bus moet tegelijkertijd lichtgewicht zijn maar in staat een kracht van equivalent aan 45 ton te weerstaan terwijl het het observatorium tijdens lancering ondersteunt.

In oktober 2019 slaagde JWST met succes in zonschild-deployment-testing en is momenteel gepland om in 2021 te lanceren. (Lees meer).

Een reusachtige sprong

De komende paar jaren zullen het toneel zetten voor een heel nieuwe eeuw van ruimtevaart. Naarmate de ruimtevaartuigen en systemen die nodig zijn voor deze nieuwe gouden eeuw voortdurend evolueren, zullen composietleveranciers en -fabrikaten constant gedaagd worden om de materialen en technologieën naar nieuwe grenzen te duwen.