라이너 없는 완전 복합 구형 저온 탱크 개발

우주 여행을 위한 발사체는 많은 연료와 많은 연료 저장을 필요로 합니다. 산소, 수소 및 질소와 같은 일반적인 로켓 추진제는 실온에서 가스로 저장할 수 있지만 가스는 상대적으로 밀도가 낮기 때문에 우주 발사를 위한 충분한 가스 추진제를 저장하려면 매우 큰 탱크가 필요하고 우주선의 무게가 추가되고 제한적입니다. 페이로드 용량. 그런 다음 이러한 추진제는 액체로 더 높은 밀도로 이상적으로 저장되어 더 작고 더 적은 수의 탱크를 사용하여 저장할 수 있지만 많은 일반적인 추진제는 극저온(극저온이라고도 하며 일반적으로 -150°C 또는 -238°F 미만의 온도)가 액체로 존재합니다.

이를 위해 2020년 4월, Infinite Composites Technologies(ICT, 미국 오클라호주 털사)는 로켓 구동 우주 발사체에 극저온 추진제를 저장하기 위한 압력 용기인 구형의 라이너가 없는 완전 복합 소재 저온 탱크의 개발을 발표했습니다.

V형으로도 알려진 라이너리스 압력 용기는 오랫동안 탄소 섬유 복합 재료 고압 저장 탱크 설계의 목표였습니다. 전통적으로 유형 I에서 IV까지의 압력 용기는 저장된 가스 또는 액체와 복합 외부(유형 IV) 사이의 라이닝으로서 최소한 일부 비율의 금속을 통합했습니다. 금속 부품을 제거하면 탱크의 무게가 크게 줄어들어 우주선용 연료 저장 탱크의 경우 차량 발사 비용이 감소하거나 탑재량을 늘릴 수 있습니다.

그러나 액체 질소 또는 액체 산소와 같은 극저온 연료를 위한 전체 복합 설계는 라미네이트에서 미세 균열의 파악하기 어려운 문제를 일으키는 경향이 있습니다. 복합 라미네이트는 극저온 수준으로의 냉각과 같은 극한 온도에 노출되기 때문에 각 플라이 사이의 열팽창 계수(CTE) 차이는 균열 및 누출로 이어질 수 있습니다. 많은 수지 시스템은 극저온에서 부서지기 쉬워 문제를 악화시킵니다. ICT의 CEO Matt Villarreal에 따르면 Infinite Composites Technologies는 미세 균열 문제를 제거하는 라이너 없는 크라이오탱크를 개발했습니다.

Villarreal에 따르면 모든 복합 극저온 저장 탱크(특히 더 작은 설치 공간으로 인해 구형 탱크)는 우주에서의 장기 탐사 및 생존을 위한 핵심 기술로 간주됩니다. NASA와 같은 우주 기관에서 개발 중인 많은 달 착륙선이 구형 탱크 디자인을 통합하지만, 그는 지금까지 구형 탱크는 모두 더 무겁고 연료 효율이 낮은 금속 구형 또는 구형 금속 복합재로 덮인 압력 용기(COPV)였습니다. CryoSphere라고 하는 ICT의 복합 탱크는 연료를 저장하는 더 가볍고 연료 효율적인 옵션을 제공합니다.

레이스카에서 로켓까지

크라이오 탱크가 그림의 일부가 되기 전에 Villarreal과 비즈니스 파트너인 Michael Tate는 대학에서 Oklahoma State University(미국 오클라호주주 스틸워터)에서 복합 압력 용기 설계 분야에서 경력을 시작했습니다. 2008년에 그들은 학교의 소규모 Formula SAE 팀에 합류하여 Formula SAE의 대학 엔지니어링 및 디자인 대회의 다가오는 국제 행사에서 경쟁하기 위해 1/4 규모의 Formula One 스타일 차량을 위한 디자인 작업을 하고 있었습니다. 지역 천연 가스 회사로부터 절실히 필요한 자금을 유치하기 위해 Villarreal과 Tate는 팀의 차량을 압축 천연 가스(CNG)로 작동하도록 전환하는 것을 도왔지만 그들이 사용한 완전 금속 CNG 저장 탱크가 너무 무거워서 차량에 영향을 미쳤다는 것을 발견했습니다. 경쟁의 24시간 내구 시험 기간 동안 여러 번 차에 연료를 보급해야 할 정도로 연비가 좋았습니다.

"경주 후에 우리는 돌아가서 몇 가지 조사를 했고 탱크 질량이 다양한 산업 전반에 걸쳐 주요 문제이며 운송 및 우주 탐사를 위한 청정 에너지를 가능하게 하는 핵심 기술이라는 것을 알게 되었습니다."라고 Villarreal은 말합니다. 피>

더 가벼운 CNG 탱크를 용이하게 하는 기술에 대한 연구 중에 Villarreal은 그와 Tate가 업계에서 압력 용기의 "성배"로 환영받는 라이너리스 복합 탱크인 Type V의 개념에 대해 생각하기 시작했다고 말합니다. 2008년 후반에 Villarreal과 Tate는 처음에 천연 가스 저장용 고압 탱크를 개발하기 위해 CleanNG LLC라는 회사를 시작했습니다. 2013년부터 이 회사의 원통형, 탄소 섬유 복합재 InfiniteCPV 압력 용기는 지상 기반 및 산업 응용 분야에서 처음 설계된 대로 압축 천연 가스를 저장하는 데 사용되었으며 점점 더 압축된 크립톤, 질소 및 헬륨 가스도 저장합니다. .

회사가 압력 용기 설계에 대한 작업을 계속하면서 우주선을 제작하는 회사가 우주선에 사용할 탱크 버전을 개발하기 위해 연구 개발 자금으로 CleanNG에 손을 뻗기 시작했다고 Villarreal은 말합니다. Villarreal은 "시간이 지나면 비즈니스 사례가 공간에 더 매력적이게 되었습니다."라고 말합니다.

2016년 회사는 Infinite Composites Technologies로 이름을 변경했으며 이후 몇 년 동안 ICT는 주로 상업용 우주 프로젝트에 중점을 두었습니다. 그러나 Villarreal은 회사가 로켓 모터 케이싱, 군용 항공기 및 무인 항공기와 같은 방위 응용 분야에도 일하고 ​​있다고 밝혔습니다. 공중 차량. 이러한 전환의 일환으로 원통형 InfinityCPV 탱크 디자인이 2020년에 비행할 것으로 예상되는 여러 로켓 발사체에 통합되었습니다.

Villarreal은 CryoSphere가 본질적으로 원래의 InfinityCPV 탱크의 진화라고 말합니다.

CryoSphere 개발

ICT의 초점이 우주선의 요구로 점점 더 많이 옮겨감에 따라 Villarreal은 다음과 같이 말합니다. 극저온 탱크 또는 극저온 탱크는 고압뿐만 아니라 액체 질소, 액체 산소, 액체 메탄 또는 기타 연료 및 사용되는 산화제의 저장에 필요한 영하 200°F의 온도와 같은 극저온도 견딜 수 있도록 특별히 설계된 압력 용기입니다. 우주 발사체에 동력을 공급합니다.

이 회사는 오클라호마 주에서 자금 지원을 신청했으며 2013년 OCAST(Center for the Advancement of Science and Technology)로부터 크라이오탱크 개념의 재료 특성화 및 재료 수준 테스트를 위해 3년 동안 300,000달러의 보조금을 받았습니다. "프로젝트는 어느 정도 성공적이었습니다."라고 Villarreal은 말합니다. "우리는 좋은 재료 후보를 찾았고 우리가 개념을 계속 진행하고 다른 것을 신청할 수 있다는 좋은 신호를 받았습니다."

ICT는 2018년 NASA의 Johnson Space Center(미국 텍사스주 휴스턴)에 저온 탱크 개념을 제안했으며 나중에 달 착륙선 시연 차량에 사용할 복합 저온 탱크에 대한 신속한 개발 프로젝트를 시작했습니다. NASA의 이전 Morpheus 수직 이착륙(VTVL) 시험 차량. 탱크의 성능 요구 사항에는 100psi의 압력에서 10회의 액체 질소(LN2) 주기를 견딜 수 있는 능력이 포함되었으며, 여기에는 온도가 -290°F까지 떨어졌다가 다시 주변 온도로 돌아오는 작업이 포함되었습니다. 또한 탱크는 각 LN2 주기 사이에 30분 동안 헬륨을 점검하는 동안 10psi 이상 떨어지지 않았으며 1,000psi(±100psi)의 사이클 후 극저온 폭발을 견뎌야 했습니다.

원통형 저온 탱크에 대한 첫 번째 테스트는 부분적으로 성공했으며 5개의 극저온 사이클에서만 살아남았습니다. "우리는 프로젝트를 가속화했고 기본적으로 약 8주 만에 설계를 뒤집었습니다."라고 Villarreal은 말합니다. 그는 이렇게 인정합니다. "정말 미친듯이 돌진했고 탱크는 몇 번의 열 주기를 견뎌냈지만 누출되기 시작했습니다."라고 그는 인정합니다. 문제는 라미네이트의 미세 균열이었습니다. 팀은 테스트를 마친 후 "기본으로 돌아갔습니다"라고 Villarreal은 말합니다.

ICT의 엔지니어링 관리자인 Efren Luevano는 "핵심 기술은 재료에 있습니다. CryoSphere는 Toray(일본 도쿄) T800 탄소 섬유와 에폭시 수지로 만들어지며 필라멘트 와인딩을 통해 제조되고 실온에서 경화되며 ICT의 Tulsa 시설에서 산업용 오븐(오토클레이브와 반대)에서 사후 경화됩니다.

미세균열 딜레마를 해결하기 위해 ICT는 화학적으로 강화된 독점적인 에폭시 수지 매트릭스 내에서 다양한 농도로 여러 유형의 첨가제를 반복적으로 테스트하기 시작했습니다. 이 과정에서 팀은 탱크를 다시 테스트했을 때 열 요구 사항을 충족할 수 있는 두 가지 첨가제의 조합을 발견했습니다. 그 중 하나가 그래핀입니다.

"이 경우 우리는 나노 스케일의 기계적 보강재로 그래핀을 사용하고 있습니다."라고 Villarreal은 말합니다. 그는 Applied Graphene Materials(영국 클리블랜드)에서 공급하는 그래핀 소판은 섬유 사이의 공간을 가로질러 늘어나며 라미네이트에 균열이 형성되는 것을 방해한다고 설명합니다. 그래핀은 또한 층 간의 결합 강도를 향상시킵니다.

"당신이 하려는 것은 탱크에 압력을 가하고 탱크에 부하를 가할 때 섬유를 제자리에 유지하는 것입니다."라고 Villarreal은 설명합니다. 낮은 온도에서 수지는 부서지기 시작하고 부서지기 시작합니다. 섬유에 압력이 가해지면 섬유가 서로 미끄러지기 시작하고 섬유 사이의 화학 결합이 끊어지기 시작합니다. 그래핀 혈소판은 섬유층 사이의 기계적 보강 역할을 하여 움직임과 골절 가능성을 줄입니다.

추가적인 독점 첨가제도 매트릭스에 통합되어 라미네이트를 저온에서 더 연성으로 만들고 라미네이트에서 더 많은 절연 특성을 생성합니다. 미세 균열 외에도 "[단열재]는 이러한 저온 탱크의 과제 중 하나입니다."라고 Villarreal은 말합니다. 테스트에서 그래핀 강화 수지를 통합한 새로운 CryoSphere 디자인은 액체 질소가 포함된 상태에서 "외부적으로 추위의 징후를 보이기까지" 거의 1시간이 걸렸습니다. 이에 대한 특별한 요구 사항은 없었지만 그는 액체 질소로 테스트한 이전 탱크에서 탱크를 액체 질소로 채우고 10분 이내에 외부 탱크 표면에 성에가 형성되었다고 덧붙였습니다.

극저온 호환성 외에도 Luevano는 구형 디자인 자체가 도전 과제였다고 덧붙입니다. Villarreal에 따르면 구형 모양의 이점은 달 착륙선과 같이 빡빡하거나 특정 크기 요구 사항이 있는 응용 프로그램에 더 나은 패킹 효율성을 가능하게 한다는 것입니다. 그러나 한 가지 문제는 제조 중 미끄러질 가능성이 원통형 표면에 비해 구형 표면에서 더 크다는 것이었습니다. Villarreal은 이것이 필요한 와인딩 각도와 맨드릴의 표면 마감이 유지하기에 충분한 마찰을 생성하지 않았기 때문이라고 말했습니다. 젖은 함침된 섬유가 제자리에 있어야 합니다. 둘 다 섬유 제어와 레이다운을 더 어렵게 만듭니다. 또 다른 문제는 팀이 사용하는 패턴 디자인 소프트웨어가 실린더에 최적화되었고 일반적인 워크플로를 사용하여 구체에 대해 실행 가능한 패턴을 생성할 수 없다는 것이었습니다. "우리는 해결 방법으로 창의력을 발휘해야 했습니다."라고 그는 덧붙였습니다.

구형 디자인은 미세 균열 문제에도 도움이 되었으며 의도하지 않은 이점이 있다고 Villarreal은 말합니다. 팀은 초기 설계 반복에서 탱크 바닥과 탱크 상단 사이에 약 150°F의 온도 차이가 있다는 것을 깨달았습니다. 이는 액체 질소가 탱크 바닥에 있는 1시간 동안의 충전 과정으로 인해 발생했습니다. 탱크의 온도는 -290°F인 반면 상반부를 채우는 기체 질소는 -140°F에 불과합니다. Villarreal은 "라미네이트에서 온도가 매우 급격하게 변화하면 한 부품이 다른 부품과 다른 속도로 늘어나기 때문에 균열이 발생할 수 있습니다."라고 말합니다. 탱크의 상단과 하단 사이의 기울기는 더 작은 구형으로 줄어들어 온도 편차를 줄이는 데 도움이 됩니다.

새롭고 최적화된 설계를 보유한 ICT는 2019년 말에 NASA의 Kennedy Space Center(미국 플로리다주 케이프 커내버럴)와 계약을 체결하여 원통형 Morpheus<의 절반 규모인 테스트용 구형 극저온 탱크 2개를 납품했습니다. /엠> 랜더 탱크. "저희 CryoSpheres는 미세 균열이 발생하지 않았는지 확인하기 위해 각 사이클 사이에 헬륨 검사를 통해 모든 열 사이클 테스트를 완료했습니다."라고 Villarreal은 말합니다. "우리가 아는 한," 그는 이 계약을 위해 경쟁하는 3개의 다른 공급업체가 있었지만 우리가 테스트를 완료할 때까지 다른 공급업체는 아직 첫 번째 프로토타입을 제작하지도 않았다고 덧붙였습니다."