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.

Horní stupeň EUS (Exploration Upper Stage) pro raketu SLS by mohl využít kompozitních nádrží. Nosnost by se tím zvedla o téměř třetinu!
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.“

Infografika popisující úroveň technologické připravenosti TRL. Na začátku jsou teorie o možnostech nějakých technologií. S tím, jak se ověřují, se přechází k testům a na konci je běžně využívaná technologie. Mezi prvním a posledním stupněm často uplynou i desítky let.
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.

Koncept znovupoužitelného kosmického letounu Phantom Express měl používat plně kompozitní nádrž. Ze svých útrob měl uvolnit jednorázový horní stupeň, který by dosáhl oběžné dráhy.
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.“

Loď Orion po manévru, který navedl sestavu k měsíci, odpojuje od horního stupně rakety SLS užitečný náklad.
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