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.“

Testovací zmenšený model kyslíkové nádrže z uhlíkových kompozitů během zkoušek.
Zdroj: http://www.esa.int/

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