Odborníci z Evropské kosmické agentury společně s kolegy z firem ArianeGroup a MT Aerospace pracují na projektu pojmenovaném Phoebus. Jeho cílem je posoudit proveditelnost a výhody nahrazení kovových nádrží na horním stupni rakety Ariane 6 agentury ESA nádržemi z uhlíkových vláken vyztužených plastem. Ačkoliv lehký materiál nabízí možnost ušetřit na hmotnosti konstrukce stupně až několik tun, zatím nikdy nebyl takový přístup uplatněn v praxi, protože s sebou nese velké technologické výzvy.

Takzvané jádro rakety Ariane 6 (tvořené prvním a druhým stupněm) využívá jako pohonnou směs zkapalněný kyslík a vodík. To jsou dvě velmi odlišné dvouatomové molekuly, takže projekt Phoebus potřebuje navrhnout a vyrobit dva typy nádrží schopných odolávat extrémním podmínkám. Tento článek se zaměřuje na pokroky ve vývoji vodíkové nádrže. Atomy vodíku jsou nejmenšími v celém vesmíru a když se tento plyn používá jako palivo raket, musí se hodně ochladit – u Ariane 6 až na -253 °C, tedy pouhých dvacet stupňů nad absolutní nulu, nejnižší možnou teplotu.

Obecně platí, že kompozity z uhlíkových vláken nemají rády nízké teploty. ESA to přirovnává k lidské kůži v zimě – chladem může naše kůže vyschnout a zkřehnout, takže při pohybu může prasknout. Něco podobného hrozí i u uhlíkových kompozitních nádrží. A malé praskliny opravdu na nádrži rakety nechcete vidět. V těchto extrémních podmínkách překonal tým projektu Phoebus mnoho technických překážek – nejen v oblasti vývoje a koncepce nádrží, ale také v oblasti měření. Neexistují totiž žádná běžně dostupná zařízení, která by přesně měřila nepatrné úniky při kryogenních teplotách až -253 °C.

Experti již prokázali, že základní myšlenka je možná. Postavili totiž malou (šedesátilitrovou) lahvovou nádrž. Na ní bylo prověřeno, že plasty vyztužená uhlíková vlákna mohou udržet vodík v kapalném skupenství bez úniků. Nyní tým pracuje na větší verzi s aktualizovaným designem. Tato nádrž už bude mít objem 2 600 litrů a průměr dva metry. Na příští rok jsou naplánovány její zkoušky spojené s plněním vodíkem. První výrobní kroky související s vnitřní tlakovou nádobou byly provedeny letos v září ve firmě MT Aerospace v německém Augsburgu. Očekává se, že výroba by měla být dokončena v prosinci.

ArianeGroup bude zodpovídat za zkoušky a inženýři již pracují na návrhu testovacího stanoviště. Samotná zkušební kampaň má začít příští rok v dubnu. I když je vodík ochlazen na -253 °C, stále se velmi snadno vznítí, takže je k tomu, aby vše hladce proběhlo, zapotřebí pečlivá manipulace, speciální zkušenosti a striktní respektování bezpečnostních předpisů. Test proběhne na zkušebním stanovišti firmy ArianeSpace v německém Trauenu. Nádrž bude krok za krokem přibližována ke svému bodu destrukce. Začne už praskat, ale dál už se nepůjde. Tým zastaví zkoušku před dosažením kompletní destrukce nádrže. Práce na novém stanovišti začaly letos v únoru, předběžný design byl potvrzen v červnu, kritické zhodnocení návrhu se očekává do konce roku a jeho dokončení umožní zahájení stavebních prací na místě.

Bude provedeno několik testů, aby se zjistilo co nejvíce informací o chování nádrže na budoucí startovní rampě a během startu a aby se pochopilo, jak a kde by se mohly objevit první praskliny. Senzory na nádrži a uvnitř ní budou během testování poskytovat údaje o tlaku, teplotě a namáhání, které budou mezi jednotlivými testy podrobně vyhodnocovány. Projekt Phoebus je součástí programu zaměřeného na přípravu budoucích nosičů FLPP (Future Launchers Preparatory Programme), který spadá pod agenturu ESA a vyvíjí technologie využitelné v budoucích kosmických dopravních prostředcích. Tím, že tento program vymýšlí, navrhuje a investuje do technologií, které ještě neexistují, snižuje riziko spojené s vývojem nevyzkoušených a neprověřených projektů pro kosmický prostor.

Přeloženo z:
https://www.esa.int/

Zdroje obrázků:
https://www.esa.int/…/26928062-2-eng-GB/Phoebus_upper_stage_in_orbit.jpg
https://www.esa.int/…/Phoebus_2m-scale_hydrogen_tank_on_automatic_fibre_placement_machine.jpg
https://www.esa.int/…/26928297-2-eng-GB/Phoebus_hydrogen_tank_in_final_stages_of_production.jpg