Vynášení nákladů do vesmíru není snadné. Vzornou ukázkou pokročilé kosmické techniky nejsou jen orbitální výpočty, nebo startovní rampy, ale i nádrže, které uchovávají pohonné látky. Agentura ESA již brzy začne testovat novou generaci nádrží raket. Některé rakety spalují kapalný kyslík a vodík, což jsou v mnoha ohledech skvělé pohonné látky, ale pro jejich kapalné skupenství je potřeba udržovat je při extrémně nízkých teplotách i pod – 200°C. Nádrže raket musí udržet tyto hluboce podchlazené kapaliny při nízkých teplotách a přitom musí vážit co nejméně.

Vodík má navíc hned několik nepříjemných vlastností, které komplikují práci s ním. Vytváří totiž nejmenší možné molekuly, které se velmi složitě udržují v uzavřeném prostoru. Vodíkové nádrže proto musí být mimořádně těsné. Vodík je navíc velmi lehký, takže i malé množství tohoto plynu vyžaduje ke svému uchování velký objem, což opět komplikuje snahy o jeho uložení při zachování nízké hmotnosti nádrží. Při skladování pohonných látek v kapalném skupenství jsou nádrže natlakovány, aby se pohonné látky dostaly do motoru při správném tlaku a teplotě. To znamená, že nádrže musí být nejen hermeticky těsné a izolující, ale také pevné.

Kapalný kyslík má také jednu vlastnost, která komplikuje jeho skladování. Jedná se o velmi reaktivní látku, která velmi rychle koroduje mnoho materiálů. Navrhování a stavba správných nádrží pro rakety tedy není vůbec nic jednoduchého a to jsme se vlastně ještě ani nedostali ke startu, kdy se vše ještě zkomplikuje.  Po zážehu motorů se raketa odlepí od rampy a každý její díl je vystaven intenzivním rázům, stlačování a chvění. Právě nádrže, ve kterých se mohou kapaliny převalovat, jsou vůči zmíněnému namáhání velmi náchylné.

Evropský projekt Phoebus si pro novou generaci nádrží raket vyhlédl uhlíkovými vlákny vyztužené plasty. Tyto materiály si v poslední době získávají stále větší oblibu, jelikož jsou extrémně lehké a přitom pevné. Až doposud však nebyly vhodné pro hermeticky těsné aplikace spojené se skladováním kapalného vodíku, případně kapalného kyslíku – tam byla pro změnu překážkou zmíněná reaktivita. Experti z agentury ESA, MT Aerospace a ArianeGroup nyní dokázali obě tyto překážky překonat použitím nových výrobních metod, ale i špičkovými návrhovými postupy a přesným laděním složení plastů.

Phoebus je demonstrátor nádrže z plastů vyztužených uhlíkovými vlákny, který byl vytvořen postupně po jednotlivých vrstvách. Tato technika spolu s inovativním designem umožnila inženýrům vytvořit jedinečný tvar, který zakomponoval nádrž do podpůrného rámce s izolační vzduchovou mezerou. Tím se podařilo jednou ranou vyřešit hned několik výše zmíněných problémů. Lehký, pevný, hermeticky těsný a nereaktivní klíčový prvek projektu Phoebus v říjnu prošel zhodnocením připravenosti ke zkouškám a dostal souhlas k zahájení testů. V jejich rámci bude model kyslíkové nádrže o průměru dvou metrů vystaven podmínkám, které by zažil při skutečném letu. Příští rok podstoupí tyto testy také podobně velká vodíková nádrž. V roce 2025 by pak měly začít testy plnorozměrového strukturálního demonstrátoru horního stupně.

„Fyzika, chemie a konstrukční techniky za tímto projektem jsou neuvěřitelné,“ říká Kate Underhill, vedoucí inženýrka projektu z ESA a dodává: „Když jsme projekt Phoebus zahájili, bylo riziko vysoké a to, že projekt dospěl do této fáze, bylo možné jen díky obrovskému odhodlání a know-how zapojených týmů z ESA, MT Aerospace a ArianeGroup, které spolupracovaly jako jeden celek.“ Prvním krokem testů bude tlakování dusíkem a později přijde na řadu helium, přičemž tento plyn poslouží k odhalení případných netěsností v nádrží. Pokud Phoebus projde těmito základními zkouškami, bude na něj v další fázi čekat zkouška s kyslíkem.

„Přesuneme Phoebus do vojenské testovací oblasti Rheinmetalu v německém Unterlüßu,“ říká Kate Underhill a dodává: „Můžeme tam testovat, protože tam jsou zvyklí na práci s výbušninami. A když pracujete s kapalným kyslíkem a něco se zvrtne, tak se to pak může pokazit hodně rychle.“ Závěrečný test bude pro nádrž nejnáročnější. Její konstrukce bude natahována a stlačována, aby se simulovala zátěž při startu rakety. K tomuto testu se využije zázemí MT Aeospace v německém Augsburgu. Při této zkoušce bude nádrž naplněna a natlakována kapalným dusíkem, aby se plně simulovaly podmínky při skutečném letu.

Přeloženo z:
https://www.esa.int/

Zdroje obrázků:
https://www.esa.int/…/25142067-1-eng-GB/Phoebus_testing.jpg
https://www.esa.int/…/Hoisting_of_cryogenic_upper_stage.jpg
https://www.esa.int/…/Phoebus_tank_structure_concept.png
https://www.esa.int/…/25148869-2-eng-GB/Phoebus_team.jpg