CFRPモジュールはロケット設計の重量を節約します

「野心的」は、宇宙輸送のコストを削減するという宇宙産業の目標に関しては、控えめな特徴かもしれません。その好例として、米国海洋大気庁（NASA、ワシントンDC）は、その目的の1つは、ペイロードを地球軌道に投入するコストを、今日の10,000ドル/ポンドから25ドル以内で1ポンドあたり数百ドルに削減することであると報告しています。年、そして40年以内に1ポンドあたり数十ドル。大西洋を越えて、目標も高くなっています。たとえば、欧州宇宙機関（ESA、パリ、フランス）は、アリアン6 の意図を表明しています。 SpaceX（Hawthorne、CA、US）のキログラムあたりのペイロードコストに匹敵する、または打ち負かすロケット Falcon 9 、静止トランスファ軌道（ほとんどの衛星が存在する場所）の場合は7,500ドル/ kg未満、低軌道の場合は3,000ドル/ kg未満と推定されます。

したがって、ロケット構造の軽量化が多くの宇宙産業組織によって追求されていること、またはそのような努力の中で複合材料が展示されていることは当然のことです。これらの追求の成功は、最初は、部品の形状や熱機械的特性など、ベースラインの金属部品に対してすでに確立されている基準に準拠しながら、軽量化の目標を達成する方法を見つけることにかかっています。

幸いなことに、このような制約により、ミュンヘン工科大学（TUM、ミュンヘン、ドイツ）のカーボンコンポジットの議長は、研究用ロケットの科学的ペイロードモジュールの30％の軽量化の可能性についての初期の見積もりを超えることができませんでした。実際、TUMが大学生のためのロケット実験（REXUS）プログラムの下で設計および構築した最初のそのような炭素繊維強化ポリマー（CFRP）モジュールは、40％以上の軽量化を達成したと、議長の研究員であるRalfEngelhardtは報告しています。炭素複合材料の。このような軽量化により、より重いペイロード、より高いアポジ、または燃料消費量の削減など、ミッションに多くのコスト削減オプションがもたらされます。

境界条件内での設計

TUMのロケットモジュールは、ドイツ航空宇宙センター（DLR、ケルン、ドイツ）、スウェーデン国立宇宙委員会（SNSA、ストックホルム、スウェーデン）、およびESAによって資金提供され、ヨーロッパ全体の大学プロジェクトに資金を提供するREXUS研究ロケットの1つのセクションで構成されています。 。 REXUS研究ロケットは、軌道下飛行中の大学の実験を可能にするために、年に2回打ち上げられます。それらは最大高度80-100kmまで飛行し、最大垂直速度は約1,200 m / s、最大加速度は約20Gです。科学ペイロードモジュールのベースライン構造はアルミニウムで、外径は356 mm、長さは300mmです。 TUM CFRPモジュールは、現在の発売予定日が2019年初頭であるREXUS Mission23用に設計されました。

REXUSプログラムは通常、内部で実施される大学の科学プロジェクトをサポートします。 科学ペイロードモジュールであるTUMプロジェクトは、実験の主題が複合モジュールであるという点で独特です。 それ自体— その設計、製造、性能および飛行の資格。 「私たちの主な目標は、アルミニウムをCFRPに置き換えることでしたが、これは一般的な使命ではありません」とEngelhardt氏は強調します。

モジュールは、元のアルミニウムと同様に、直径356 mm、長さ300 mmの円筒形CFRPシェルと、隣接するモジュールへのボルト接続を提供する2つの熱可塑性複合ラジアルアキシャル（radax）荷重入力リング（オスとメス）で構成されています。 。 CFRP設計は、特定の幾何学的および熱機械的特性の要件を満たすために作成されました。モジュールは、ロケットの他の部分と一致する標準に従って動作する必要があるため、必要になります。このため、モジュールの形状は事前に定義されており、アルミニウムバージョンの壁の厚さに一致する必要があります。モジュールはまた、アルミニウムバージョンと同じ剛性を達成する必要がありました。最も柔軟性の低いモジュール機能は、モジュールの負荷入力リングの形状と機械的特性であり、取り付けられているモジュールに対する位置と完全性を維持する必要があります。

TUMモジュールは、炭素繊維/ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）材料でできており、アルミニウムと比較して高い比強度と剛性に加えて、その高い機械的および熱的性能のために選択されています。最終的な組み立てでは、コルク層がシェルに接着剤で接着され、断熱を提供します。 TUMは、予想される30％の軽量化に加えて、効率的な製造アプローチも追求しました。初期設計には、ラダックスリングを長繊維熱可塑性（LFT）顆粒からプレス成形し、離型して統合の準備をするという製造コンセプトが含まれています。次に、モジュール全体が、その場での圧密を伴う熱可塑性の自動繊維配置（TP-AFP）を使用して配置されます。

もちろん、モジュール自体が主要な「実験」として機能するため、TUMには、モジュール内で二次実験に必要な機器をロードする機会がありました。チームは、埋め込み型光ファイバーセンサー（FOS）を使用して複合構造の内部の温度を測定することを選択しました。 Engelhardtは、FOSが熱電対よりも選択されたのは、直径が薄く繊維状の形状であるため、CFRPシェルの機械的性能の低下が最小限に抑えられ、光信号がロケットが遭遇する電磁界の乱れを起こしにくいためだと説明しています。 4つのFOS（具体的にはカプセル化ファイバーブラッググレーティング（FBG）センサー）は、TP-AFP製造中にラミネート内のさまざまな位置と深さに埋め込まれ、後でセンサーを操作するモジュール内の測定システムに接続されます。測定システムはデータを収集して管理し、地上局へのダウンリンクを提供します。

2段階の製造プロセス

モジュールを製造するために、TUMチームは最初にリングを形成します。 Victrex plc（Lancashire、UK）PEEK 450CA30 LFT顆粒（長さ2〜3 mmの炭素繊維を含む）をプレス成形してリング状の型にします。プレスは390℃に加熱され、増加する力レベル（50〜200 kN）で圧縮され、次に冷却され、100℃で離型されます。

シェルは帝人（東京、日本）のTenax一方向カーボンファイバー/ PEEKプリプレグテープからAFPTGmbH（Doerth、ドイツ）のTP-AFP装置で作られています。 TP-AFPプロセスにより、室温で熱可塑性テープをCFRP負荷入力リングにその場で固めることができます。オートクレーブの固結は必要ありません。以前に製造されたリングへの固結により、追加の機械的ファスナーや接着剤が不要になります。 Engelhardtは、この2段階のプロセスの結果に満足しています。 「これは新しい組み合わせです」と彼は述べています。 「熱可塑性テープを使用してその場で統合することは常に課題ですが、ここでは、テープを厚いモノリシックリングに配置することに成功しました。」

Engelhardtは、新しい技術的課題であったFOS統合にも満足しています。 TUMは、ニート樹脂でFOSを使用した経験がありますが、複合ラミネートでは使用せず、熱可塑性AFPプロセスを使用していません。チームはこの課題に対処し、飛行資格のパフォーマンスを達成しました。

最後に、モジュールには、測定デバイスの取り付けプレートとして機能する別個のバルクヘッドが組み込まれています。バルクヘッドは、モジュールのシリンダーと同じ炭素繊維/ PEEK材料で構成された平らな有機シートからドーム型に熱成形されています。

資格を取得するための設計

飛行資格に到達するために、TUMは完全なテスト、シミュレーション、および評価プロセスを通じてこのプロジェクトを進めました。まず、材料は、室温および最高使用温度135℃でのクーポンレベルで特性評価されました。サブコンポーネントテストは、リングとシェルの間のインターフェースの許容可能な層間せん断性能、およびロケットのモジュールを接続するために使用されるファスナーの適切な引き抜き強度を確認するのに役立ちました。初期テストからのデータは、シミュレーションと設計のための入力を提供しました。

有限要素構造解析は、チームがラミネートレイアップを最適化するのに役立ちました。シリンダーの結果は、34層の対称レイアップ（0°/±15°/±45°/ 90°）になります。モジュールの製造後、TUMは本格的なテストを実施しました。飛行資格の負荷を満たすために、モジュールは、0.083 g ² の周波数レベルで0〜300Hzの振動テストを受けました。 / Hz。また、曲げ試験も実施され、14kNmの認定荷重で良好な性能が実証されました。

今後のさらなる改善

REXUS 23ミッションは、当初2018年3月に予定されていましたが、前回のREXUSミッションでの困難により延期されました。打ち上げは現在、スウェーデンのキルナから2019年2月下旬または3月上旬に予定されています。 TUMチームは、この追加の時間を利用して、2つ目のモジュールを構築し、この秋にそれをテスト/認定しました。この新しいユニットでは、負荷入力リングをプレス成形する代わりに、チームはElekem Ltd.（Lancashire、UK）によってリングを遠心鋳造しました。原材料は同じであり、プレス成形されたリングを備えた元のモジュールはすべての飛行資格を満たしていたとエンゲルハルト氏は言います。しかし、新しいモジュールは、リングのパフォーマンスを許容レベルから理想的なレベルに近づけます。 「プレス成形プロセスにはまだある程度の最適化が必要です」とエンゲルハルト氏は言います。「しかし、それは非常に有望です。」

Engelhardtの報告によると、将来の目標、およびTUMが将来プレス成形に戻る理由は、AFPプロセスからのスクラップ材料からリングを作成することです。 「ロールに残った切り抜きと材料を取り出して細断し、それらの小片を使用してリングをプレス成形します」と彼は説明します。このリサイクルプロセスに関連するデータと経験が限られているため、TUMはミッション23の作業の時間と予算の制限内でそれを実装できませんでした。希望は、近い将来の宇宙飛行のために、リサイクルされた材料で作られたリングを構築して認定することです。

ミッションが完了すると、TUMはFOSデータを使用して、飛行中のモジュールの熱負荷のより詳細な画像を作成します。このような知識は、モジュールの設計と寸法だけでなく、材料の選択の変更につながる可能性があります。 「熱シミュレーションは以前の測定に基づいて実行されましたが、まもなく実際のデータが得られます」とEngelhardt氏は指摘します。 「PEEKのガラス転移温度（T _g ）が必要ない場合があります。 ）143℃の」と彼は説明します。 「より低いT _g つまり、もっと安価なポリマーを使用できる可能性があるということです。」

より安価なポリマーとリサイクル材料の使用の両方が、宇宙輸送のコストを桁違いに削減するという宇宙産業の全体的な目標に貢献します。しかし、TUMのREXUSの取り組みの最大の貢献は、間違いなく、すでに達成された40％の軽量化です。