Na cestě k lepšímu evropskému hornímu stupni

Nedávné testy prokázaly, že lehké plasty vyztužené uhlíkovými vlákny jsou dost pevné na to, aby mohly nahradit kov používaný na strukturách horních stupňů nosných raket. Pro Evropskou kosmickou agenturu jde o důležitý milník v rámci vývoje vysoce optimalizovaného prototypu černého horního stupně Phoebus. Na tomto projektu, který financuje právě ESA, společně pracují MT Aerospace a ArianeGroup. Hlavním cílem celého programu je zlepšení nosnosti kosmické rakety – konkrétně se má jednat o dvě tuny navíc. Dosáhne se toho tím, že se na horním stupni ušetří hmotnost, která půjde využít pro vynášený náklad. Evropská kosmická agentura věří, že použití nového návrhu, který počítá s lehčími materiály, přinese kromě vyšší nosnosti také snížení výrobních nákladů.

Materiály označované jako CFRP (Carbon-fibre reinforced plastic), případně jako uhlíkové kompozity, umožňují využívat nové architektonické přístupy a také kombinovat funkce, které nejsou u běžných kovových materiálů možné. CFRP je lehký materiál tmavé barvy a ESA by jej ráda používala nejen pro kryogenní nádrže, ale i pro primární a sekundární strukturální prvky horního stupně Phoebus. Právě proto se o tomto stupni často mluví jako o černém horním stupni. Aby toho nebylo málo, tak zvolený výrobní proces umožňuje integrovat postupy, které ve výsledku přinesou výhodu v podobě menšího počtu dílů – při srovnání s podobnou konfigurací, která však využívá kovové materiály. Tím pádem by měl nový přístup umožnit náklady spojené s výrobou, ale i montáží.

„Technologické výzvy zahrnují vývoj strojních prostředků schopných provádět vysoce přesné umísťování uhlíkových kompozitů. Jde také o nalezení optimálních na sebe navazujících kroků spojených s vytvrzováním kompozitu. Uhlíková vlákna musí odolat extrémně nízkým teplotám, které jsou spojeny s kapalným kyslíkem a vodíkem, aby bylo zajištěno, že nedojde k žádným únikům,“ vysvětluje Kate Underhill, inženýrka pohonných systémů v evropské kosmické agentuře a dodává: „CFRP dokáže být chemicky velmi reaktivní s kyslíkem. Proto je správný výběr vhodného systému vláken a pryskyřic mimořádně náročný úkol. Vypilování této kompatibility představuje důležitý milník, kterého bylo nyní při vývoji projektu Phoebus dosaženo.“

Během experimentů, které provedla firma MT Aerospace na testovacím stanovišti firmy Rheinmetall v německém městě Unterlüß, byl použit zmenšený exemplář nádrže vyrobený z CFRP. Při testech se používal zkapalněný kyslík, který byl v rámci zkoušek do nádrže opakovaně natankován a pak došlo k jeho odčerpání. Testy také vyzkoušely natlakování nádrže nad provozní limity. Došlo i na rázové testy, které měly prokázat, že ani při nárazu nedojde k poškození kyslíkové nádrže.

Testovací exemplář nádrže byl osazen celou řadou senzorů, které sledovaly tlak, teplotu, namáhání, ale také monitorovaly případné netěsnosti. Analýza nasbíraných dat společně s celkově dobrou strukturální pevností nádrže na kapalný kyslík tak posvětily tuto technologii. Díky tomu se otevírá cesta k dalším aktivitám a také se ukazuje, že celý projekt demonstrátoru Phoebus je na správné cestě. Dalším očekávaným krokem bude aplikace CFRP do návrhu nádrže pro kapalný vodík, kde je zajištění těsnosti ještě složitější – nejen kvůli ještě nižším teplotám, ale i kvůli extrémně malým dvouatomovým molekulám nejlehčího prvku.

Jakmile budou tyto kroky dokončeny, bude možné přikročit ke zvětšení celého návrhu. Od zmenšených modelů se tak přistoupí k testům strukturálního demonstrátoru horního stupně Phoebus v téměř životní velikosti. Tento krok by měl podle aktuálních plánů přijít v roce 2023. Všechny dosavadní i nadcházející činnosti jsou prováděny v rámci programu pro přípravu budoucích nosičů, který má na starosti Direktoriát ESA pro kosmickou dopravu.

Přeloženo z:
http://www.esa.int/

Zdroje obrázků:
http://www.esa.int/…/19388545-3-eng-GB/Phoebus.jpg
http://www.esa.int/…/Test_of_carbon-composite_oxidiser_tank.jpg