NCCs All-Composite Typ-V-Tank setzt neuen Standard für leichte Raumfahrtantriebe

NCCs All-Composite Typ-V-Tank setzt neuen Standard für leichte Raumfahrtantriebe

The National Composites Centre (NCC, Bristol, UK), mit Branchenleitung des Luft- und Raumfahrtunternehmens Thales Alenia Space (Cannes, Frankreich), hat einen All-Composite-linerlosen (Typ V) Tank-Demonstrator im Rahmen des SpaceTank-Projekts gefertigt. Er soll repräsentativ für Tanks sein, die für Trägerraketen- und Satellitentriebwerkstanks verwendet werden, und liefert eine geschätzte Gewichtsersparnis von 30 % im Vergleich zu herkömmlichen metallischen Treibstofftanks. Der NCC hat dies demonstriert, um das britische Interesse an der Fertigung von Verbundwerkstofftanks für zukünftige Raumfahrtantriebsbedürfnisse zu wecken. Laut NCC zeigt dieses Vorzeigeprojekt, wie fortschrittliche Verbundwerkstofftechnologie eine entscheidende Rolle bei zukünftigen konstruierten Strukturen im Raumfahrtantrieb spielen kann, indem sie das Strukturgewicht des Tanks reduziert und die Satellitenstartkosten senkt.

Projektziele

Das übergeordnete Ziel des SpaceTank-Projekts war die Entwicklung britischer F&E-Werkzeuge, die für die Fertigung und Inspektion von kryogenen Druckbehältern notwendig sind. Konkret konzentrierte sich das einjährige Projekt auf die Entwicklung einer neuen Fertigungslösung für Tanks zur Aufnahme kryogener Treibstoffe.

Die Raumfahrtindustrie erkennt die kritische Rolle von Verbundwerkstoffen im Weltraum an, wobei einige Unternehmen bereits deren Einsatz im Weltraumtankdesign erforschen. So haben beispielsweise Virgin Orbit (Long Beach, Kalifornien, USA) und Rocket Lab (Auckland, Neuseeland) beide Verbundwerkstofftanks als Alternativen zu Metall für die Raketen Launcher One und Electron entwickelt und demonstriert. In Australien arbeiten Omni Tanker (Smeaton Grange) und Partner an der Entwicklung und Kommerzialisierung eines linerlosen flüssigen Wasserstofftanks (LH₂), und in Europa entwickelt MT Aerospace (Augsburg, Deutschland) Materialien und Fertigungsmethoden und führt Tests für einen neuartigen Raketentreibstofftank durch. Das NCC SpaceTank-Projekt soll das Vereinigte Königreich als Schlüsselakteur in diesem Bereich positionieren.

Technische Spezifikationen

Der geschaffene NCC SpaceTank-Demonstrator ist 750 mm lang, hat einen Durchmesser von 450 mm und ein Flüssigkeitsspeichervolumen von über 96 Litern. Er wurde mit einer nominellen Wanddicke von 4,0–5,5 mm entworfen und gefertigt, was es dem Tank ermöglicht, 85 bar Drucktreibstoff standzuhalten. Der CFK-Hauptkörper umfasst 8 kg Materialmasse, aber laut NCC gibt es – wie bei allen konstruierten Strukturen – weitere Optimierungsmöglichkeiten zur Gewichtsreduzierung. Zudem kann der Druckwert des NCC SpaceTanks durch den Einsatz höherfester Kohlenstofffasern und Erhöhung der Verbunddicke gesteigert werden. Alternativ könnte der SpaceTank für deutlich niedrigere Druckanwendungen durch dünnere und niedrigsteifere Verbundwerkstoffe auf Gewicht und Kosten optimiert werden.

Innovative Fertigungsmethode

Während des SpaceTank-Projekts entwickelte das NCC-Team eine innovative Methode zur Einbindung der Metall-Flüssigkeitsventilanschlüsse in das auswaschbare Werkzeug, um die Notwendigkeit sekundärer Montage- und Klebeoperationen für das Endprodukt zu eliminieren. Diese Ventilanschlüsse wurden im neuartigen Werkzeug gehalten, was ihr Co-Bonding mit der Kohlenstofffaser im späteren Stadium des Fertigungsprozesses ermöglichte.

Der Tankhauptkörper verwendet MTC510 Epoxid-CFK-Preg von SHD Composites (Mooresville, NC, USA) in 300-mm-Bandbreite. MTC510 ist ein Epoxidharzsystem, das speziell für die Aushärtung zwischen 80 °C und 120 °C entwickelt wurde und zähmodifiziert ist, um seine Schadentoleranz zu erhöhen.

Dieses Material wurde für den SpaceTank-Fertigungsprozess von Bindatex (Bolton, UK) vorbereitet, das auch das präzise Schlitzen des Bandes in schmaler Breite durchführte und 22.000 Meter (ca. 72.178 Fuß) des Materials in einem 6,35-mm-Format zurücklieferte, vorbereitet gemäß den NCC-Anforderungen für den Einsatz in seiner Coriolis (Queven, Frankreich) AFP-Fertigungszelle (Automated Fiber Placement).

Das geschlitzte Band wurde mithilfe des spannungsbehafteten Filamentwickelbetriebs des Coriolis-AFP-Systems auf das auswaschbare Werkzeug abgelegt. Eine von NCC-Ingenieuren mit Materials Cadwind (Brüssel, Belgien) Filamentwickelsoftware entworfene Kombination aus helikaler und ringförmiger Wicklung wurde verwendet, um mehr als 24 Lagen des Materials auf eine nominelle Dicke von 5,5 mm abzulegen. Die hier verwendete Dicke und Wickelrichtung/Winkel diente nur der Demonstration; der NCC kann die Verbundwanddicke erhöhen oder verringern und den Wickelwinkel und die Lagenstruktur ändern, um den Tank für eine spezifische Druck- oder Lastanforderung vollständig zu optimieren.

Unmittelbar nach der Materialablage wurde der NCC SpaceTank auf Defekte und Dickenvariationen inspiziert. Anschließend wurde er bei 100 °C im Autoklav ausgehärtet und danach erneut inspiziert. Ultraschall-C-Scan und Thermografie als zerstörungsfreie Prüfverfahren (NDT) wurden nach der Aushärtung eingesetzt, und diese Methoden wurden auf ihre Eignung zur Inspektion zukünftiger Tanks auf Defekte wie Delamination und Porosität verglichen. Schließlich wurde nach Abschluss der NDT-Qualitätsbewertung der interne Werkzeugkern mit Druckkaltwasser ausgewaschen, um den inneren Tankhohlraum leer zu lassen.

Werkzeugtechnik: Auswaschbarer Kern

Laut NCC erwies sich die Werkzeugtechnik für den linerlosen SpaceTank als schwierig, was zur Entwicklung eines Gießverfahrens in Partnerschaft mit AeroConsultants (Huntingdon, UK) unter Verwendung des wasserlöslichen Kernmaterials Aqua des Unternehmens führte. Das fertige Werkzeug verfügt über einen zentralisierten männlichen Kern mit nomineller 30-mm-Wanddicke, der in zwei Teilen gegossen und dann verklebt wird. Das Werkzeug hat drei (auswaschbare) interne Versteifungsringe, die entworfen und gefertigt wurden, um die während des automatisierten Composite-Legens erwartete Torsionsbelastung und den während der Autoklavaushärtung ausgeübten Druck standzuhalten.

Bedeutung für UK-Raumfahrtsektor

Diese Demonstration durch den NCC bietet nun eine Forschungsgrundlage im Vereinigten Königreich für zukünftige Treibstofftankentwicklung und unterstützt eine neue britische Lieferkette für hochmoderne Komponenten und Ausrüstung für die Composite-Tankfertigung.

Zukünftige Forschungsaktivitäten in diesem Bereich werden Berichten zufolge auch die Erhöhung des britischen Anteils von 5 % an der globalen Weltraumwirtschaft unterstützen. Ein Bericht der britischen Regierung vom Mai 2021 zeigte, dass das Einkommen der britischen Raumfahrtindustrie von 14,8 Mrd. £ in 2016/2017 auf 16,4 Mrd. £ in 2018/2019 gestiegen ist. Der Zusammenfassungsbericht für die UK Space Agency hob zudem hervor, dass in den letzten zwei Jahren (2019–2021) mehr als 3.000 Arbeitsplätze im britischen Raumfahrtsektor geschaffen wurden.