Dalo by se říci, že všechno začalo sérií testů plně kompozitních nádrží na kryogenní pohonné látky, které podporovala agentura DARPA mající na starost technologický vývoj armádních projektů. Po několika letech vývoje se expertům z firmy Boeing podařilo dosáhnout významného pokroku z hlediska vývoje nádrží se sníženou hmotností. Důkazem je, že tato technologie se nyní v systému technologické vyzrálosti TRL (Technology Readiness Level) posunula na šestou úroveň. Návrh využívající plně kompozitní materiály má konkurovat tradičně používaným svařovaným nádržím. Boeing rozhodně není první firmou, která se pokusila postavit kompozitní nádrže pro raketu. Například společnost RocketLab je již běžně používá, ale v jejím případě jde o relativně malé díly.
V případě nové nádrže od Boeingu se však bavíme o plně kompozitním dílu, který má průměr 4,3 metru, což je podobná velikost, jakou by měly mít nádrže připravované pro americkou raketu SLS. Tento aktuální úspěch je součástí dlouhodobých snah, které chtějí posunout možnosti technologií kompozitů dále. Velké a lehké nádrže umožní raketám dosáhnout lepších výkonů. Klesne totiž hmotnost nosiče, což se projeví na vyšší nosnosti celého systému. Plně kompozitní nádrž od Boeingu již prošla testy a počítačové modely naznačují, že pokud by byla použita na horním stupně EUS (Exploration Upper Stage), mohla by zlepšit nosnost rakety SLS ve verzi 1B o 30 % ve srovnání s tradičními svařovanými nádržemi.
Zdroj: https://www.nasaspaceflight.com/
„Je to systém, který by už v blízké budoucnosti mohl z této technologie výrazně profitovat … pokud to NASA bude považovat za užitečné zvýšení výkonu pro tuto část mise,“ říká v rozhovoru pro NASASpaceflight Jim May, expert na technologickou integraci, který pracuje v kosmické divizi firmy Boeing v rozhovoru pro NASASpaceflight a dodává: „A jak už mnoho z nás v kosmickém průmyslu ví, hmotnost je pro kosmické systémy velice důležitá. Proto teď, když jsme doladili kompozitní technologie, ve kterých jsou kompozity použity ke snížení konstrukční hmotnosti dílů, jako jsou nádrže, viděli jsme možnost, jak vcelku výrazně snížit hmotnost nádrží. Bylo to samozřejmě realizováno se správně vybraným materiálem, který může udržet kryogenní pohonné látky.“
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/
Ovšem nebylo to jen tak. Dostat se do současné fáze, kdy je možné testovat tyto technologie, dostat je na úroveň TRL 6 a moci nabízet tyto plně kompozitní struktury budoucím raketám, zabralo hodně času a úsilí. „Ověřili jsme si, že je možné stavět v takovém měřítku a přitom splnit stejné požadavky, jaké jsou kladeny na kovové nádrže. Nejtěžší část této technologie spočívá v tom, že se to dělá ve velkém měřítku,“ doplnil May. Velkou výzvou bylo už jen vybrat a vybavit místo dost velké na to, aby zde mohla taková nádrž vzniknout. „Potřebujete dílnu, ve které bude probíhat kladení vláken, které zvládne položit takto vlekou strukturu v jednom kuse a navíc v rámci časového limitu pro materiál. Potřebujete také autokláv, do kterého se takový díl vejde. Neexistuje mnoho organizací, které mají zařízení na výrobu kompozitů, co by si poradilo s díly o této velikosti,“ uvádí firma Boeing.
Poté, co se našlo vhodné místo, mohla nádrž mezi roky 2020 a 2021 projít závěrečným sestavením. Tato nádrž přitom byla původně plánována pro program experimentálního kosmického letounu agentury DARPA. „Agentura DARPA má zájem o posunutí možností těchto pohonných systémů,“ uznává May a dodává: „My stavíme nádrž jako jeden kompozitní díl bez kovové vložky. Ale stavíme ji podle stejných požadavků, jako bychom stavěli kovové nádrže, abychom se vyhnuli ztrátě pohonných látek kvůli netěsnostem.“ Po dokončení byla nádrž přesunuta na Marshallovo středisko v Huntsville ve státě Alabama. Právě tady podstoupila sérii tlakových zkoušek a následných inspekcí. „Provedli jsme několik tlakových cyklů a průběžně jsme prováděli zevrubné inspekce případného poškození,“ uvádí firma Boeing a pokračuje: „To obnášelo vypuštění nádrže, její přesun z testovacího zařízení a odpojení některých dílů pro vnitřní inspekci. Pak jsme zase všechno sestavili zpátky, přesunuli do testovací oblasti, připojili a pokračovali v testech všech systémů. A to byla jen jednoduchá testovací sekvence.“
Our team built this cryogenic fuel tank that withstood 3.75 times its intended operational pressures in recent testing. Check out the video of the tank being manufactured. pic.twitter.com/5pq9OGyx42
— Boeing Space (@BoeingSpace) February 3, 2022
V rámci závěrečné zkoušky mělo dojít k přetlakování nádrže a jejímu prasknutí. V rámci zkoušky ověření počítačového modelu selhání konstrukce se nádrž dostala na úroveň 3,75× vyššího tlaku, než jaký definují návrhové požadavky a přitom stále nepraskla. Firma dále uvedla, že na nádrži nebyly patrné žádné významné strukturální závady. Kromě tlakových testů se ověřovala také těsnost a propustnost, aby bylo jisté, že nádrž nepropustí kryogenní pohonné látky. Pokud odhlédneme od výše zmíněných problémů s velkými rozměry kompozitní nádrže, je „kryogenní část jednou z nejobtížnějších částí fungování kompozitních materiálů,“ uvedl May.
Zdroj: https://www.nasaspaceflight.com/
Firma Boeing v prohlášení uvedla: „Testy nádrže jsme prováděli s kapalným dusíkem, ale provedli jsme zkoušky při teplotách kapalného kyslíku i kapalného vodíku. Při nízkých teplotách jsou některé vlastnosti o něco odlišné, ale zkoušky, které jsme zvolili, poskytují důvěryhodné údaje. Díky tomu můžeme navrhnout pevnou kompozitní nádrž, která dokáže splnit požadavky i při těchto extrémně nízkých teplotách.“ Kapalný dusík vře při teplotě -196°C, kapalný kyslík má nejvyšší stabilní teplotu před vypařením -183°C, zatímco kapalný vodík má tuto úroveň až na -253°C! „Naším úkolem bylo posunout úroveň technologické vyspělosti na stupeň TRL 6, což se nám při testech podařilo prokázat. To, co tu vidíme, je tedy v zásadě připraveno k implementaci do produkčních návrhů nosičů,“ vysvětlil May a dodal: „Jde o velký pokrok v této technologii. Myslíme si, že tato technologie je připravena na svou ostrou premiéru, tedy na skutečné kosmické uplatnění. A to je něco, co tu dlouhodobě na poli velkých kompozitních dílů chybělo. Ačkoliv dříve proběhlo několik testů, nikdo to nedotáhl do stavu, aby to bylo připraveno k uvedení do výroby.“
Zdroj: https://www.nasaspaceflight.com/
A jaké by mohly být teoretické aplikace? Podle Maye je horní stupeň EUS pro SLS zřejmým kandidátem, ale rozhodně není jediný. Podle Boeingu by z této nové technologie mohla profitovat i kterákoliv kosmická mise či raketa, které používají kryogenní látky. Firma navíc dobře ví, že nová metoda nemusí najít uplatnění jen v kosmonautice. Nadějně se jeví i uplatnění v leteckém průmyslu. „Firma Boeing hledá způsoby, jak používat lépe udržitelné letecké technologie. Jednou z možnosti, které analyzujeme, jsou obrovská letadla na vodík,“ řekl May a doplnil: „Tato technologie, která dobře funguje pro skladování kryogenních látek ve vesmíru, by se dala použít i pro skladování vodíku při atmosférickém letu. Tyto konstrukce nádrží jsou tedy jakousi první generací, se kterou budeme pracovat. Třeba se jednou tato technologie dostane i do letadel, která pak budou spalovat vodík, což v podstatě vytvoří jen vodní páru jako odpadní produkt.“
Otázkou zůstává, zda budou mít firmy a agentury o tuto technologii zájem. „Řekl bych, že u každé nové technologie může existovat určitá neochota jít do rizika používáním něčeho nového,“ uznává May a dodává: „Výhodou je, že díky těmto testům máme důkazy o tom, že tyto systémy fungují přinejmenším stejně spolehlivě, jako klasické kovové nádrže. Navíc tu máme úsporu hmotnosti, která je daná použitím kompozitního systému. Jsme tedy připraveni nabízet tyto nádrže budoucím projektům a také prokázat, že splňují stejné bezpečnostní, spolehlivostní a výkonnostní parametry jako jiné systémy z různých materiálů.“
Přeloženo z:
https://www.nasaspaceflight.com/
Zdroje obrázků:
https://www.nasaspaceflight.com/…/2022/03/FKsfpEtXsAAPtwU-1920×1143.jpg
https://www.nasaspaceflight.com/wp-content/uploads/2022/03/EUS.jpg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4b/NASA_TRL_Meter.png
https://www.nasaspaceflight.com/wp-content/uploads/2022/03/f.jpg
https://www.nasaspaceflight.com/…/03/I-HAB-CPL-on-EUS-NSF-1920×1152.png
Nikde v textu jsem nenašel hodnotu, kolik tedy nádrž snese tlaku, maximálně, nebo provozně, tlakový stupeň. Je taková informace dostupná, prosím?
Pokud vím, tak se tím nechlubili (ani u destrukčního testu hlavní nádrže). Ale dalo by se trochu hádat – první stupeň (hlavní nádrž) raketoplánu měl pracovní tlak 230 kPa vodík a 250kPa kyslík. Pro druhý stupeň by ty tlaky měly být spíše nižší. (a je potřeba počítat s rezervou cca +60%)
Jinak tedy nevím, jak tohle má při průměru 4,3m podobnou velikost jako nádrže pro SLS.
EUS, kam by tohle mělo případně jít, má 5,5m průměr pro kyslík a 8,4m pro vodík…(delší je udělat nemůžou).
Ano, konkrétní údaje o tlaku jsem bohužel nikde neviděl.
Co se týče EUS – myslím, že tam Boeing nechce použít tuto konkrétní nádrž, ale nádrž vyrobenou touto metodou. To znamená, že se rozměry přizpůsobí tomu, co bude zrovna potřeba.
To znamená pořídit nové kopyto?
Jaká je technologie výroby?
Dobrá informace. Bude se hodit pro 3 stupeň. Tam se počítá každé kilo.
Otázka jak je to s odolností na rozdíl teplot, kosmické záření apod. SpaceX tento směr opustilo z důvodu nízké odolnosti. Znovupoužitelnst asi není možná a odolnost kompozitu pro vstup do atmosféry i se štítem oproti nerezu je mizerná.
SpaceX vyřadilo kompozitní nádrže kvůli jejich netoleranci k vysokým teplotám vznikajících při návratu do atmosféry. Tady se s návratem nepočítá, tak kompozit může dobře posloužit.
Trunk u CDragon by mohl být z kompozitu. Stejně shoří. Není tam ještě jiný důvod, třeba trpí na mikrotrhlinky?
Domnívám se, že zvýšení nosnosti horního stupně SLS o třicet procent (konec druhého odstavce) není reálné. Pokud porovnáme známé údaje např. o Atlasu V 401 je situace následující: nosnost na LEO cca 10,5 tuny, prázdná hmotnost druhého stupně (Centaur) cca 2,3 tuny, plná 23 tuny. Pokud bychom chtěli zvýšit nosnost o 30 %, znamenalo by to zvýšení nosnosti větší, než je prázdná hmotnost stupně. To je nesmysl. Předpokládám, že hmotností poměry u SLS budou kvalitativně podobné. Správně by asi mělo být, že užití uhlíkových kompozitů umožní snížení prázdné hmotnosti stupně o 30 % a tomu adekvátní zvýšení nosnosti.
Viz tisková zpráva Boeingu (také konec druhého odstavce)
https://boeing.mediaroom.com/news-releases-statements?item=130996
Pokud se podíváte sem, https://en.wikipedia.org/wiki/Exploration_Upper_Stage
tak zjistíte, že stupeň má vynést na nízkou oběžnou dráhu cca 100 tun (záleží na verzi). Obsahuje cca 130 tun pohonných hmot, jeho prázdnou hmotnost lze odhadnout na cca 13 tun (to jsou zhruba poměry u kryogenních stupňů). Deklarované zvýšení nosnosti o 30 % by znamenalo 30 tun, tedy více než je prázdná hmotnost stupně. Pokud budete uvažovat nosnost na TLO narazíte na podobné nesrovnalosti, které Váš odkaz na zdrojový článek vůbec neřeší.
Já Vám rozumím, jak to myslíte. Jen jsem chtěl poukázat na to, že se text článku od tiskové zprávy v zásadě neliší, kromě absence důležitého slova „až“.
Předpokládám, že se jedná o nosnost na TLI, protože se v tiskové zprávě píše o zvýšení hmotnosti užitečného zatížení. Osobně se ale domnívám, že by tím mohla být myšlena hmotnost užitečného zatížení vynášeného společně s Orionem. Ta je nyní 10 tun a tu vývojáři EUS pořád řeší.
To už dává dobrou logiku. Pokud se použitím kompozitů sníží hmotnost stupně o tři tuny (což je asi reálné), pak to odpovídá zvýšení nosnosti na TLI o stejnou hodnotu, tedy třicet procent z deseti tun užitečného zatížení. Je škoda, že ani původní článek (na který jste odkazoval), to takto přesně nespecifikuje a je trošku zavádějící.
Snad to klapne. Jinou možnost boeing nemá.