ライナーレス、全複合、球状クライオタンクの開発

宇宙旅行用のロケットは、大量の燃料と大量の燃料貯蔵を必要とします。酸素、水素、窒素などの一般的なロケット推進剤は、室温でガスとして貯蔵できますが、ガスは比較的低密度であるため、宇宙への発射に十分なガス推進剤を貯蔵するには、非常に大きなタンクが必要になり、宇宙船の重量が増えて制限されます。そのペイロード容量。したがって、これらの推進剤は液体として高密度で保管されるのが理想的であり、保管するタンクをより小さく、より少なくすることができますが、多くの一般的な推進剤は超低温（極低温とも呼ばれ、一般的には液体として存在するための-150°Cまたは-238°F未満の温度。

この目的のために、2020年4月、Infinite Composites Technologies（ICT、米国オクラホマ州タルサ）は、ロケット駆動の宇宙ロケットに極低温推進剤を貯蔵するための圧力容器である、球形のライナーレス全複合クライオタンクの開発を発表しました。

ライナーレス—タイプVとしても知られています—圧力容器は、炭素繊維複合高圧貯蔵タンクの設計において長い間目標でした。伝統的に、タイプIからIVの圧力容器は、少なくとも貯蔵されたガスまたは液体と複合外部（タイプIV）との間のライニングとして、少なくともある程度の割合の金属を組み込んでいます。金属部品を排除することで、タンクの重量が大幅に削減され、宇宙船用の燃料貯蔵タンクの場合、ロケットの打ち上げコストが削減されるか、ペイロード容量が増加します。

ただし、液体窒素や液体酸素などの極低温燃料の全複合設計は、ラミネートの微小亀裂のとらえどころのない問題を引き起こす傾向があります。複合ラミネートは極低温レベルへの冷却などの極端な温度にさらされるため、各層の熱膨張係数（CTE）の違いにより、亀裂や漏れが発生する可能性があります。多くの樹脂システムも極低温で脆くなり、問題を悪化させます。 ICTのCEOであるMattVillarrealによると、Infinite Composites Technologiesは、マイクロクラックの問題を排除するライナーレスクライオタンクを開発しました。

ビジャレアルによると、全複合極低温貯蔵タンク、特に設置面積が小さいため球形のものは、宇宙での長期的な探査と生存を可能にする重要な技術であると多くの人が考えています。 NASAなどの宇宙機関によって開発されている多くの月着陸船は球形のタンク設計を取り入れていますが、これまで球形のタンクはすべて重く、燃料効率の低い金属球または球形の金属複合材で覆われた圧力容器（COPV）でした。 CryoSphereと呼ばれるICTの全複合タンクは、燃料を貯蔵するためのより軽量でより燃料効率の高いオプションの可能性を提供します。

レースカーからロケットまで

クライオタンクが登場する前は、VillarrealとビジネスパートナーのMichael Tateは、オクラホマ州立大学（Stillwater、Okla。、U.S。）の大学で、複合圧力容器の設計のキャリアを開始しました。 2008年、彼らは学校の小さなフォーミュラSAEチームに加わりました。このチームは、フォーミュラSAEの大学工学および設計コンペティションの次の国際イベントに参加するために、クォータースケールのフォーミュラワンスタイルの車両の設計に取り組んでいました。地元の天然ガス会社から待望の資金を集めるために、VillarrealとTateは、チームの車両を圧縮天然ガス（CNG）で稼働するように改造するのを手伝いましたが、使用した全金属製CNG貯蔵タンクが非常に重いため、車両に影響を与えることがわかりました。競争の24時間の耐久試験の過程で、何度も車に燃料を補給しなければならなかったほどの燃料効率。

「レース後、私たちは戻っていくつかの調査を行い、タンクの質量が多くの異なる業界で大きな問題であり、輸送用のクリーンエネルギーと宇宙探査の両方を可能にする重要な技術であることがわかりました」とビジャレアルは言います。 P>

ビジャレアルは、CNGタンクの軽量化を促進する技術の研究中に、圧力容器の「聖杯」として業界で高く評価されているタイプVのライナーレス複合タンクのコンセプトについて考え始めたと語っています。 2008年後半、ビジャレアルとテイトはCleanNG LLCという会社を設立し、当初は天然ガス貯蔵用の高圧タンクを開発しました。 2013年以来、同社の円筒形の全炭素繊維複合infiniteCPV圧力容器は、当初設計された圧縮天然ガスだけでなく、ますます圧縮クリプトン、窒素、ヘリウムガスも貯蔵するために、地上および産業用途で使用されてきました。 。

同社が圧力容器の設計に取り組んでいる間、Villarreal氏は、宇宙船を製造する企業は、宇宙船で使用するためのタンクのバージョンを開発するための研究開発資金でCleanNGに連絡を取り始めたと言います。 「しばらくすると、ビジネスケースは宇宙にとってより魅力的になりました」とビジャレアルは言います。

2016年に、同社はInfinite Composites Technologiesに社名を変更し、それ以来、ICTは主に商業宇宙プロジェクトに焦点を当ててきましたが、Villarrealによると、同社はロケットモーターケーシング、軍用機、無人機などの防衛用途にも取り組んでいます。航空機。この移行の一環として、円筒形のinfiniteCPVタンクの設計が、2020年に飛行する予定のいくつかのロケットロケットに統合されました。

ビジャレアルによると、CryoSphereは本質的に元のinfiniteCPVタンクの進化形です。

雪氷圏の開発

ICTの焦点が宇宙船のニーズにますます向けられるにつれて、ビジャレアルは次のように述べています。「本当の課題は複合クライオタンクの製造であるという傾向が見られ始めました。」極低温タンク、または極低温タンクは、高圧だけでなく、液体窒素、液体酸素、液体メタン、または使用される他の燃料や酸化剤の貯蔵に必要な200°F未満の温度などの極端な低温にも耐えるように特別に設計された圧力容器です。宇宙発射車両に動力を供給するため。

同社はオクラホマ州からの資金提供を申請し、2013年に科学技術進歩センター（OCAST）から、クライオタンクコンセプトの材料特性評価と材料レベルのテストのために3年間の30万ドルの助成金を受け取りました。 「プロジェクトは適度に成功しました」とビジャレアルは言います。 「私たちはいくつかの優れた材料候補を見つけ、コンセプトを前進させて他のものに応募し始めることができるという良い兆候を示しました。」

ICTは、2018年にNASAのジョンソン宇宙センター（米国テキサス州ヒューストン）にクライオタンクのコンセプトを提案し、その後、月着陸船のデモンストレーションビークルで使用される複合クライオタンクの迅速な開発プロジェクトを開始しました。 NASAの以前の Morpheus 垂直離陸および垂直着陸（VTVL）テスト車両。タンクの性能要件には、100 psiの圧力で10サイクルの液体窒素（LN2）に耐える能力が含まれ、温度を-290°Fまで下げてから周囲温度に戻す必要がありました。さらに、タンクは、各LN2サイクル間の30分間のヘリウムチェック中に10 psiを超えて降下することはできず、1,000 psi（±100psi）のサイクル後のクライオバーストに耐える必要がありました。

円筒形のクライオタンクでの最初のテストは部分的に成功し、5回の極低温サイクルしか生き残れませんでした。 「私たちはプロジェクトを加速し、基本的に約8週間で設計を立て直しました」とビジャレアルは言います。 「それはマッドラッシュでした」と彼は認めます、「そしてタンクは2、3の熱サイクルを生き延びました、しかしそれからそれは漏れ始めました。」問題は、ラミネートの微小亀裂でした。チームはテストを終了し、「設計図に戻りました」とビジャレアルは言います。

「コアテクノロジーは材料にあります」とICTのエンジニアリングマネージャーであるEfrenLuevanoは言います。 CryoSphereは、東レ（東京、日本）のT800炭素繊維とエポキシ樹脂でできており、フィラメントワインディングで製造され、室温で硬化され、ICTのタルサ施設の工業用オーブン（オートクレーブではなく）で後硬化されます。

ICTは、マイクロクラッキングのジレンマを解決するために、独自の化学強化エポキシ樹脂マトリックス内のさまざまな濃度のいくつかのタイプの添加剤の反復テストを開始しました。その過程で、チームは2つの添加剤の組み合わせを発見しました。これにより、タンクを再度テストしたときに、設計が熱要件を満たすことができました。これらの1つはグラフェンです。

「この場合、ナノスケールの機械的補強材としてグラフェンを使用しています」とビジャレアルは言います。彼は、Applied Graphene Materials（Cleveland、UK）によって供給されたグラフェン小板が繊維間の空間を横切って伸び、ラミネートに亀裂が形成されるのを妨げると説明しています。グラフェンは、層間の結合の強度も向上させます。

「あなたがやろうとしているのは、タンクを加圧してタンクに負荷をかけるときに繊維を所定の位置に保つことです」とビジャレアルは説明します。低温では、樹脂はもろくなり、破壊し始めます—繊維に圧力が加えられると、繊維は互いに滑り始め、繊維間の化学結合を破壊します、と彼は言います。グラフェンプレートレットは、繊維層間の機械的補強として機能し、動きや破壊の可能性を減らします。

追加の独自の添加剤もマトリックスに組み込まれ、低温でのラミネートの延性を高め、ラミネートの絶縁性を高めます。マイクロクラッキングに加えて、「[断熱材は]これらのクライオタンクの課題の1つです」とビジャレアルは言います。テストでは、グラフェン強化樹脂を組み込んだ新しいCryoSphereデザインは、「外向きの寒さの兆候を示すために」液体窒素を含む状態でほぼ1時間かかりました。これには特に要件はありませんでしたが、以前のタンクでは液体窒素でテストしていましたが、タンクに液体窒素を満たしてから10分以内にタンクの外面に霜が発生したと彼は付け加えています。

極低温の互換性に加えて、Luevanoは球形の設計自体が課題であったと付け加えています。ビジャレアルによると、球形の利点は、月着陸船など、タイトなまたは特定のサイズ要件を持つアプリケーションでより良いパッキング効率を可能にすることです。ただし、1つの課題は、製造中の滑りの可能性が円筒面と比較して球面で大きいことでした。これは、必要な巻き角度と、マンドレルの表面仕上げが維持するのに十分な摩擦を生み出さなかったためであるとビジャレアルは言います。湿った含浸繊維が所定の位置にあり、どちらも繊維の制御と敷設をより困難にしました。もう1つの課題は、チームが使用したパターン設計ソフトウェアが円柱用に最適化されており、通常のワークフローを使用して球の実行可能なパターンを生成できないことでした。 「回避策を工夫する必要がありました」と彼は付け加えます。

球形のデザインは、マイクロクラッキングの問題にも役立ちました。これは意図しないメリットです、とビジャレアルは言います。チームは、初期の設計反復で、液体窒素が半分の底にある1時間の充填プロセスが原因で、タンクの底部とタンクの上部の間に約150°Fの温度差があることに気付きました。上半分を満たすガス状窒素が-140°Fでしかなかったのに対し、-290°Fでのタンクの温度。 「ラミネートの温度勾配が非常に急激になると、ある部品が別の部品とは異なる速度で伸びようとするため、破損が発生する可能性があります」とビジャレアルは言います。タンクの上部と下部の間の勾配は、より小さな球形で減少し、温度差を減らすのに役立ちます。

新しい最適化された設計を手にしたICTは、2019年後半に、NASAのケネディ宇宙センター（米国フロリダ州ケープカナベラル）と、円筒形の Morpheus <の半分のスケールの2つの球形の極低温タンクを提供する契約を締結しました。 / em> 着陸船の戦車。 「私たちのCryoSpheresは、マイクロフラクチャーが発生していないことを確認するために、各サイクルの間にヘリウムチェックを行ってすべての熱サイクルテストを完了しました」とビジャレアルは言います。 「私たちの知る限り、この契約を争っているベンダーは他に3社ありましたが、テストが完了するまでに、他のベンダーはまだ最初のプロトタイプを作成していませんでした。」