Geavanceerd CFRP Module Vermindert Raketgewicht, Verhoogt Lanceringsefficiëntie

„Ambitieus” mag een onderstelling zijn wanneer het gaat over de ruimtevaartindustrie's doelen voor het verlagen van de kosten van ruimtetransport. Een voorbeeld: de US National Atmospheric and Space Administration (NASA, Washington, DC) rapporteert dat een van haar doelen is om de kosten van het brengen van een payload in een aardbaan van $10.000/pond vandaag te verlagen tot honderden dollars per pond binnen 25 jaar, en tientallen dollars per pond binnen 40 jaar. Aan de overkant van de Atlantische Oceaan zijn de doelen ook hoog: de European Space Agency (ESA, Parijs, Frankrijk) heeft bijvoorbeeld haar voornemen uitgesproken voor de Ariane 6 raket om de payloadkost per kilogram van de SpaceX (Hawthorne, CA, VS) Falcon 9 te evenaren of te verbeteren, geschat op minder dan $7.500/kg voor geosynchrone transferbaaan (waar de meeste satellieten wonen) en minder dan $3.000/kg voor lage aardbaan.

Het zou geen verrassing mogen zijn dat rakestructuur lichtgewichting door tal van ruimtevaartorganisaties nastreeft, of dat composietmaterialen in dergelijke inspanningen prominent zijn. Succes in deze inspanningen hangt initieel af van manieren om lichtgewichtingsdoelen te bereiken terwijl voldaan wordt aan standaarden al vastgesteld voor basislijnen metaalcomponenten, inclusief onderdeelgeometrie en thermo-mechanische eigenschappen.

Blijvend, dergelijke beperkingen hebben de Technische Universiteit München (TUM, München, Duitsland) Lehrstuhl für Carbon Composites niet tegengehouden om vroege schattingen van een mogelijke 30% gewichtsreductie van een onderzoeksraket's wetenschappelijke payloadmodule te overtreffen. In feite bereikte de eerste dergelijke koolstofvezelversterkte polymere (CFRP) module, die TUM ontwierp en bouwde onder het Rocket Experiments for University Students (REXUS) programma, een gewichtsreductie van meer dan 40%, rapporteert Ralf Engelhardt, onderzoeker bij de Lehrstuhl für Carbon Composites. Zo'n gewichtsreductie levert talloze kostenbesparingsopties voor de missie: zwaardere payloads, hogere apogees of verminderd brandstofverbruik.

Ontwerpen binnen randvoorwaarden

TUM's raketmodule bestaat uit één sectie van de REXUS onderzoeksraket, die gefinancierd wordt door het German Aerospace Center (DLR, Keulen, Duitsland), de Zweedse Nationale Ruimtevaartorganisatie (SNSA, Stockholm, Zweden) en de ESA, en universiteitsprojecten in Europa financiert. REXUS onderzoeksraketten worden tweemaal per jaar gelanceerd om universiteitsexperimenten tijdens sub-orbitale 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 maximale versnelling van ongeveer 20G. De basisstructuur van de wetenschappelijke payloadmodules is aluminium, met een buitendiameter van 356 mm en lengte van 300 mm. De TUM CFRP module was ontworpen voor REXUS Missie 23, waarvoor de huidige verwachte lanceringdatum begin 2019 is.

Terwijl het REXUS programma typisch universitaire wetenschapsprojecten ondersteunt die binnenin de wetenschappelijke payloadmodules uitgevoerd worden, is het TUM project uniek in dat het experiment's onderwerp de composietmodule zelf is – zijn ontwerp, productie, prestaties en kwalificatie voor vlucht. „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 schil – 356 mm in diameter en 300 mm lang, zoals de oorspronkelijke aluminium – en twee thermoplastische composiet radaxiale (radax) belastinginvoer ringen, één mannelijk en één vrouwelijk, die boltverbinding bieden aan aangrenzende modules. Het CFRP ontwerp werd gecreëerd om te voldoen aan specifieke geometrische en thermo-mechanische eigenschapseisen, genecessiteerd omdat de module moet presteren volgens standaarden consistent met de rest van de raket. Vanwege dit was de module's geometrie vooraf gedefinieerd, inclusief een eis om de wanddikte van de aluminiumversie te matchen. De module moest ook dezelfde stijfheid bereiken als de aluminiumversie. De minst flexibele modulekenmerken zijn de geometrie en mechanische eigenschappen van de module's belastinginvoer ringen, die positie en integriteit ten opzichte van de modules waaraan ze bevestigd zijn, moeten behouden.

De TUM module is gemaakt van een koolstofvezel/polyetheretherketon (PEEK) materiaal, geselecteerd voor zijn hoge mechanische en thermische prestaties, alsook zijn hogere specifieke sterkte en stijfheid vergeleken met aluminium. In de finale montage wordt een kurklaag lijmend aan de schil gebonden om thermische isolatie te bieden. Naast de verwachte gewichtsreductie van 30%, nastreefde TUM ook een efficiënte productiebenadering. Het initiële ontwerp omvat een productieconcept waarin de radax ringen geperst-vormd worden uit lange-vezel thermoplastische (LFT) granulaat, gedemold en voorbereid voor integratie; dan wordt de volledige module gelegd met thermoplastische geautomatiseerde vezelplaatsing met in-situ consolidatie (TP-AFP).

Natuurlijk, met de module zelf dienend als de primaire „experiment,” had TUM de kans om benodigde apparatuur voor secundaire experimenten binnenin de module te laden. Het team koos om temperaturen intern aan de composietstructuur te meten met ingesloten vezeloptische sensoren (FOS). Engelhardt legt uit dat FOS gekozen werden boven thermokoppels omdat hun dunne diameter en vezelvorm resulteren in minimale reductie van de CFRP schil's mechanische prestaties, en omdat optische signalen niet gevoelig zijn voor storing in de elektromagnetische velden die de raket tegenkomt. Vier FOS – specifiek, gecapsulede vezel Bragg grating (FBG) sensoren – zijn ingesloten tijdens TP-AFP productie op verschillende posities en diepten binnen het laminaat, en later verbonden met een meetsysteem binnen de module dat de sensoren bedient. Het meetsysteem verzamelt en beheert de data, en biedt een downlink naar de grondstation.

Twee-stap productieproces

Om de module te produceren, vormt het TUM team eerst de ringen. Victrex plc (Lancashire, UK) PEEK 450CA30 LFT granulaat (bevattende koolstofvezel in lengtes van 2-3 mm) worden geperst-vormd in ringvormige gietvormen. De pers wordt verwarmd tot 390°C, gecompact bij toenemende krachtniveaus (50-200 kN), vervolgens gekoeld en gedemold op 100°C.

De schil wordt gemaakt van Teijin (Tokio, 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 belastinginvoer ringen mogelijk. Geen autoclave consolidatie is vereist, en de consolidatie op de eerder geproduceerde ringen elimineert de noodzaak voor additionele mechanische bevestigingsmiddelen of lijmen. Engelhardt is tevreden over de uitkomst van dit twee-stap proces. „Dit is een nieuwe combinatie,” merkt hij op. „Het is altijd een uitdaging om in-situ consolidatie met thermoplastische tape uit te voeren, maar hier hebben we de tape met succes op dikke, monolithische ringen geplaatst.”

Engelhardt is ook tevreden over FOS integratie, wat een nieuwe technische uitdaging was. TUM had ervaring met FOS in zuivere hars, maar niet in een composiet laminaat, en niet met een thermoplastisch AFP proces. Het team heeft deze uitdaging aangepakt en vluchtkwalificatie prestaties behaald.

Ten slotte incorporeert de module een afzonderlijke schot, die dient als montageplaat voor meetapparaten. De schot wordt gethermovormd in zijn koepelvorm vanuit een plat organoplaat samengesteld uit hetzelfde koolstofvezel/PEEK materiaal als de module's cylinder.

Van ontwerp tot kwalificatie

Om vluchtkwalificatie te bereiken, voerde TUM dit project door een compleet test-, simulatie- en evaluatieproces. Eerst werden materialen gekarakteriseerd op coupon niveau bij kamertemperatuur en bij een maximum diensttemperatuur van 135°C. Subcomponenttesten hielpen om acceptabele interlaminaire schuifprestaties van de interface tussen ringen en schil te waarborgen, alsook adequate uittreksterkte van de bevestigingsmiddelen gebruikt om de raket's modules te verbinden. Data van initiële testen leverden input voor simulatie en ontwerp.

Finite element structurele analyse hielp het team om de laminaat leg te optimaliseren. Het resultaat voor de cylinder is een 34-laag symmetrische leg (0°/±15°/±45°/90°). Na productie van de module, voerde TUM full-schaal testen uit. Om aan vluchtkwalificatieslasten te voldoen, onderging de module trillingstesten van 0-300 Hz op een frequentieniveau van 0,083 g²/Hz. Het onderging ook een buigtest, die succesvolle prestaties onder de kwalificatieslast van 14 kNm demonstreerde.

Meer verbeteringen te komen

De REXUS 23 missie was oorspronkelijk gepland voor maart 2018, maar uitgesteld vanwege problemen tijdens een vorige REXUS missie. De lancering is nu gepland voor eind februari of begin maart 2019 vanuit Kiruna, Zweden. Het TUM team nam het voordeel van de extra tijd door een tweede module te bouwen en deze te testen/kwalificeren vorige herfst. In deze nieuwe unit, in plaats van de belastinginvoer ringen te persvormen, had het team de ringen centrifugaal gieten door Elekem Ltd. (Lancashire, UK). De grondstoffen zijn dezelfde, zegt Engelhardt, en de oorspronkelijke module met de persgevormde ringen haalde alle vluchtkwalificaties. Maar de nieuwe module verbetert de ringprestaties van een acceptabel niveau dichter bij een ideaal niveau. „Het persvormproces heeft nog steeds optimalisatie nodig,” zegt Engelhardt, „maar het is heel veelbelovend.”

Een toekomstig doel, rapporteert Engelhardt, en de reden waarom TUM in de toekomst terugkeert naar persvormen, is om de ringen te maken van afvalmateriaal van het AFP proces. „We zullen uittsnijden en materiaal dat overblijft op een rol nemen, schredderen, en dan die kleine stukken gebruiken om de ringen te persvormen,” legt hij uit. Met beperkte data en ervaring met dit hergebruikproces, was TUM niet in staat om het binnen de tijd- en budgetbeperkingen van zijn Missie 23 werk te implementeren. De hoop is om de ringen gemaakt van gerecycld materiaal te bouwen en te kwalificeren voor een nabije toekomstige ruimtevlucht.

Eenmaal de missie voltooid, zal TUM de FOS data gebruiken om een gedetailleerder beeld te ontwikkelen van thermische lasten op de module tijdens de vlucht. Zulke kennis kan leiden tot wijzigingen in materiaalkeuze alsook module ontwerp en dimensionering. „Thermische simulaties werden uitgevoerd op basis van eerdere metingen, maar we zullen binnenkort echte data hebben,” wijst Engelhardt. „We kunnen ontdekken dat we PEEK's glasovergangstemperatuur (T_g) van 143°C niet hoeven te hebben,” illustreert hij. „Een lagere T_g betekent dat we mogelijk een goedkopere polymere kunnen gebruiken.”

Zowel een goedkopere polymere als het gebruik van gerecyclde materialen zullen bijdragen aan de ruimtevaartindustrie's algehele doel om de kosten van ruimtetransport met orde van grootte te verlagen. Maar de grootste bijdrage van TUM's REXUS inspanning is ongetwijfeld de 40% gewichtsreductie die al behaald is.