MT Aerospace och ArianeGroup undertecknade kontrakt med ESA den 14 maj 2019 för att utveckla Phoebus, en prototyp av ett mycket optimerat svart översteg. Raketöversteg är vanligtvis gjorda av aluminium men att byta till kolkompositer sänker kostnaderna och kan ge två ton reservlastkapacitet. Kredit:ArianeGroup
Framtida raketer skulle kunna flyga med tankar gjorda av lätt kolfiberarmerad plast tack vare banbrytande forskning som utförts inom ESA:s Future Launchers Preparatory Program.
Bygger på tidigare studier, MT Aerospace i Tyskland har demonstrerat en ny design av en småskalig tank gjord av en unik kolfiberförstärkt plast (CFRP) som inte bara är läcksäker med flytande väte, men också kompatibel med flytande syre, utan användning av metallfoder.
En tank gjord enbart av CFRP är mycket lättare än metall, kräver färre delar och är därför snabbare och billigare att tillverka.
Detta är en milstolpeprestation som vanligt, lagring av kryogena drivmedel som dessa som kyls till -253˚C kräver tankar med metallfoder för att göra dem läcksäkra, med eller utan kompositöverdrag.
"Bränsletankar är säkerhetskritiska element i alla framdrivningssystem, " förklarade Hans Steininger, VD på MT Aerospace. "Vi har tillhandahållit bevis på att en högpresterande trycktank gjord av CFRP kan motstå kryogen stress. I framtiden, Användningen av CFRP högpresterande stridsvagnar bör inte bara möjliggöra säkra raketuppskjutningar, den kan också utnyttja fördelen med betydligt lägre massa jämfört med metalltankar."
"Detta är ett enormt steg framåt. Vi har hittat en mycket specifik kolkomposit och bearbetningsmetod som gör att vi kan överväga nya arkitekturer och kombinationer av funktioner för raketöversteg som inte är möjliga med metall, " lade Kate Underhill till, Projektledare för upper stage och framdrivningsdemonstratorer i Future Launchers Preparatory Program vid ESA.
Tester visar att lättviktsförstärkt kolfiberplast är tillräckligt stark för att ersätta metall som används i raketstrukturer i övre steg. Detta är en viktig milstolpe i Europa för utvecklingen av en prototyp av ett mycket optimerat "svart" översteg, Phoebus, ett gemensamt initiativ av MT Aerospace och ArianeGroup, finansieras av ESA:s Future Launchers Preparatory Program. MT Aerospace testade styrkan hos en oxidationstank i mindre skala gjord av kolfiberförstärkt plast. Under dessa tester, tanken fylldes och tömdes flera gånger, trycksatt över driftgränserna och stöttestad för att säkerställa att syrgastanken inte antänds. Sensorer övervakade tryck, temperatur, töjning eller ett eventuellt läckage. Analysen av resultaten och tankens övergripande goda strukturella integritet bevisar tekniken för användning i ett Phoebus-översteg. Kredit:MT Aerospace AG
"Metall är tät. För att återskapa samma egenskap med kolkomposit krävdes en komplex väv av svart kolfiber och ett speciellt harts. Materialet stod emot kryogena temperaturer, tryckcykler och reaktiva ämnen under ett antal separata tester."
Efter dessa "flasktester" småskaliga tankdemonstratorer med integrerat termiskt skydd kommer snart att byggas för ytterligare tester. Data som samlas in kommer att ingå i utvecklingen av en fullskalig demonstrator av ett framtida högoptimerat översteg, kallas Phoebus.
Phoebus kommer att ha vätgas- och syrgastankar med en diameter på 3,5 m, termiskt skydd, strukturella monteringselement och har ny teknik inom flygelektronik, konstruktioner och framdrivningsutrustning. CFRP kommer att appliceras i tankarna, gränssnittsstrukturen mellan de två tankarna och den yttre cylindern som är representativ för det övre stegets yttre skal.
Phoebus-demonstratorn kommer att testas med kryogena vätskor 2023 för att bekräfta teknikernas funktionella prestanda och nya kostnadseffektiva produktionsmetoder som en del av ett nytt kontrakt för att främja utvecklingen av högt optimerade övre steg.
"Här är ett utmärkt exempel på hur ESA:s stöd till mogna spjutspetsteknologier leder till stora genombrott. Detta nya lätta kolbaserade material skulle möjliggöra tillverkningen av ett Ariane 6-översteg som är två ton lättare – massa som görs fri för nyttolaster, sa Daniel Neuenschwander, ESA:s chef för rymdtransport.
Phoebus-projektet är ett gemensamt initiativ av MT Aerospace och ArianeGroup i Tyskland för att validera nyckelteknologier som utvecklats med stöd från ESA sedan maj 2019.
