NCC、全複合材ライナーレス（タイプV）タンクで宇宙推進の軽量化新標準を確立

英国NCC、タイプV全複合材タンクで30%軽量化を実証

英国国立複合材センター（NCC、ブリストル）は、航空宇宙メーカーのタレス・アレーニア・スペース（フランス・カンヌ）の産業指導の下、SpaceTankプロジェクトにおいて、全複合材ライナーレス（タイプV）タンク実証機を製造しました。これは打ち上げ機および衛星推進剤タンクの代表的なもので、現在使用されている従来の金属製推進剤タンクと比較して、推定30%の重量削減を実現するとされています。NCCはこの実証により、将来の宇宙推進ニーズに向けた複合材タンク製造への英国の関心を喚起しています。NCCによれば、このショーケースプロジェクトは、先進複合材技術がタンク構造重量を削減し、衛星打ち上げコストを低減することで、将来の宇宙推進におけるエンジニアリング構造にいかに重要な役割を果たせるかを示しています（ケーススタディPDFダウンロード可能）。

SpaceTankプロジェクトの目的

SpaceTankプロジェクトの全体的な目的は、極低温圧力容器の製造と検査に必要な英国ベースの研究開発ツールを開発することでした。より具体的には、1年間のプロジェクトで、極低温推進剤を保持するタンクの新しい製造ソリューションの開発に焦点を当てました。

宇宙産業における複合材タンクの動向

宇宙産業は複合材料の重要な役割を認識しており、いくつかの企業がすでに宇宙タンク設計への採用を検討しています。例えば、ヴァージン・オービット（米国カリフォルニア州ロングビーチ）とロケットラボ（ニュージーランド・オークランド）は、それぞれ「ランチャー・ワン」と「エレクトロン」ロケット向けに、金属の代替として複合材タンクを開発・実証済みです。オーストラリアでは、オムニ・タンカー（スミートン・グレインジ）とパートナーが複合材ライナーレス液体水素タンク（LH₂）の開発・商業化を目指し、欧州ではMTエアロスペース（ドイツ・アウクスブルク）が新型ロケット燃料タンクの材料・製造法開発と試験を進めています。NCCのSpaceTankプロジェクトは、この分野での英国のキープレーヤーとしての地位確立が期待されています。

実証機の仕様と製造プロセス

NCCが製造したSpaceTank実証機は、全長750mm、直径450mm、流体貯蔵容量96リットル以上。公称壁厚4.0-5.5mmで、85バールの加圧推進剤に耐える設計です。カーボンファイバー複合材メインボディの材料質量は8kgですが、NCCによれば、あらゆるエンジニアリング構造と同様に、SpaceTankでも更なる軽量化の機会があります。また、より高強度カーボンファイバーの使用や複合材厚みの増加で耐圧性能を向上させたり、逆に薄く低剛性の材料で低圧用途向けに重量とコストを最適化したりすることも可能です。

SpaceTankプロジェクト中、NCCチームは、洗浄可能な工具に金属製流体バルブポートを含める革新的手法を開発し、最終製品に必要な二次組立・接合工程を不要にしました。これらの流体バルブポートは新規工具に保持され、製造工程の後期段階でカーボンファイバーと共にコボンディングされます。

タンクメインボディには、SHDコンポジッツ（米国ノースカロライナ州ムーアズビル）供給のMTC510エポキシカーボンファイバープレプレグを、300mmテープ幅で使用。MTC510は80-120℃で硬化するよう設計されたエポキシ樹脂系で、耐損傷性向上のためタフニングされています。

この材料は、バインダテックス（英国ボルトン）でSpaceTank製造プロセス用に準備され、NCCのコリオリス（フランス・ケベン）自動ファイバー積層（AFP）製造セルでの使用に適合するよう、6.35mm幅への狭幅精密スリッティングが実施され、約22,000メートル（約72,178フィート）が納入されました。

スリットテープは、コリオリスAFPシステムのテンションフィラメントワインディング操作で洗浄可能な工具へ積層されました。NCCエンジニアがマテリアルズ・キャドウィンド（ベルギー・ブリュッセル）フィラメントワインディングソフトウェアで設計したヘリカル巻きとフープ巻きの組み合わせで、24層以上を公称5.5mm厚まで積層。ここでの厚みと巻き角度・積層構造はデモンストレーション用であり、NCCは特定の圧力や荷重要件に合わせて壁厚、巻き角、積層構造を完全に最適化可能です。

材料積層直後に欠陥と厚み変動の検査を行い、その後100℃でオートクレーブ硬化、再検査を実施。超音波Cスキャンとサーモグラフィーによる非破壊試験（NDT）を硬化後に用い、剥離や気孔などの欠陥検出への適合性を比較検討しました。最終的にNDT品質評価を完了後、内部工具コアを加圧冷水で洗い出し、内部タンク空洞を空にしました。

水溶性コア材を用いた工具技術

NCCによれば、ライナーレスSpaceTankの工具技術は困難を伴ったため、エアロコンサルタンツ（英国ハンティンドン）と提携し、同社のAqua水溶性コア材を使用した鋳造プロセスを開発しました。完成工具は、公称30mm壁厚の中央メスコアを2部品で鋳造し接合した構造です。自動複合材積層時のねじり荷重とオートクレーブ硬化時の圧力に耐えるよう、3つの（洗浄可能な）内部補強リブが設計・製造されています。

NCCによるこの実証は、将来の推進剤タンク開発のための英国における研究基盤を提供し、複合材タンク製造における最先端コンポーネントと設備の新たな英国サプライチェーン構築を支援します。

英国宇宙産業への貢献

この分野での今後の研究活動も、英国の世界宇宙経済シェア5%の拡大を支援すると報告されています。英国政府の2021年5月の報告書では、英国宇宙産業の収入が2016/2017年度の148億ポンドから2018/2019年度には164億ポンドに増加。英国宇宙庁のサマリーレポートでも、過去2年間（2019-2021）で英国宇宙セクターにおいて3,000人以上の雇用が創出されたことが強調されています。