CFRP 모듈은 로켓 설계의 무게를 줄여줍니다.

"야심찬"은 우주 운송 비용 절감을 위한 우주 산업의 목표와 관련하여 절제된 특성일 수 있습니다. 예를 들어 미국 대기 및 우주국(NASA, Washington, DC)은 목표 중 하나가 탑재체를 지구 궤도에 올려놓는 비용을 현재 10,000달러에서 25년 이내에 파운드당 수백 달러로 줄이는 것이라고 보고합니다. 40년 안에 파운드당 수십 달러. 대서양을 가로질러 목표도 숭고합니다. 예를 들어 유럽 우주국(ESA, 파리, 프랑스)은 Ariane 6에 대한 의도를 밝혔습니다. SpaceX(미국 캘리포니아주 호손) Falcon 9의 킬로그램당 페이로드 비용과 일치하거나 능가하는 로켓 , 지구 동기 전송 궤도(대부분의 위성이 있는 곳)의 경우 $7,500/kg 미만, 낮은 지구 궤도의 경우 $3,000/kg 미만으로 추정됩니다.

따라서 수많은 우주 산업 조직에서 로켓 구조 경량화를 추구하거나 이러한 노력에서 복합 재료를 선보인 것은 놀라운 일이 아닙니다. 이러한 추구의 성공 여부는 초기에 부품 형상 및 열 기계적 특성을 포함하여 기본 금속 구성 요소에 대해 이미 설정된 표준을 준수하면서 경량화 목표를 달성하는 방법을 찾는 데 달려 있습니다.

다행스럽게도 이러한 제약으로 인해 뮌헨 공과 대학(TUM, 뮌헨, 독일) 탄소 복합 재료 학장이 연구 로켓의 과학 탑재량 모듈의 가능한 30% 중량 감소 가능성에 대한 초기 추정치를 초과하지 못했습니다. 실제로, REXUS(Rocket Experiments for University Students) 프로그램에 따라 TUM이 설계하고 구축한 최초의 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP) 모듈은 40% 이상의 무게 감소를 달성했다고 Chair의 연구원인 Ralf Engelhardt가 보고합니다. 탄소 복합 재료의. 이러한 중량 감소는 더 무거운 페이로드, 더 높은 원지점 또는 감소된 연료 소비와 같은 임무를 위한 수많은 비용 절감 옵션을 제공합니다.

경계 조건 내에서 설계

TUM의 로켓 모듈은 REXUS 연구 로켓의 한 섹션으로 구성되어 있으며 독일 항공우주 센터(DLR, 독일 쾰른), 스웨덴 국립우주국(SNSA, 스웨덴 스톡홀름) 및 ESA가 자금을 지원하고 유럽 전역의 대학 프로젝트에 자금을 지원합니다. . REXUS 연구 로켓은 준궤도 비행 중에 대학 실험을 가능하게 하기 위해 연 2회 발사됩니다. 최대 수직 속도 약 1,200m/s, 최대 가속도 약 20G로 최대 높이 80~100km까지 비행합니다. 과학 페이로드 모듈의 기본 구조는 외부 직경이 356mm이고 길이가 300mm인 알루미늄입니다. TUM CFRP 모듈은 현재 출시 예정일이 2019년 초인 REXUS Mission 23을 위해 설계되었습니다.

REXUS 프로그램은 일반적으로 내부에서 수행되는 대학 과학 프로젝트를 지원합니다. 과학 페이로드 모듈, TUM 프로젝트는 실험의 주제가 복합 모듈이라는 점에서 독특합니다. 자체 — 설계, 제조, 성능 및 비행 자격. Engelhardt는 "우리의 주요 목표는 알루미늄을 CFRP로 대체하는 것이었습니다. 이는 일반적인 임무가 아닙니다."라고 강조합니다.

모듈은 직경 356mm, 길이 300mm의 원래 알루미늄과 같은 원통형 CFRP 쉘과 인접한 모듈에 볼트 연결을 제공하는 2개의 열가소성 합성 반경방향 축(radax) 하중 입력 링(수 1개, 암 1개)으로 구성됩니다. . CFRP 설계는 모듈이 로켓의 나머지 부분과 일치하는 표준에 따라 작동해야 하기 때문에 필요한 특정 기하학적 및 열역학적 특성 요구 사항을 충족하도록 만들어졌습니다. 이 때문에 알루미늄 버전의 벽 두께와 일치해야 하는 요구 사항을 포함하여 모듈의 지오메트리가 미리 정의되었습니다. 모듈은 또한 알루미늄 버전과 동일한 강성을 달성해야 했습니다. 가장 유연하지 않은 모듈 기능은 모듈의 로드 입력 링의 기하학적 특성과 기계적 특성으로, 모듈에 부착된 모듈과 관련하여 위치와 무결성을 유지해야 합니다.

TUM 모듈은 탄소 섬유/폴리에테르에테르케톤(PEEK) 소재로 만들어졌으며 높은 기계적 및 열적 성능은 물론 알루미늄에 비해 더 높은 비강도 및 강성으로 선택되었습니다. 최종 조립에서 코르크 층은 단열재를 제공하기 위해 쉘에 접착식으로 접착됩니다. 30%의 예상 중량 감소 외에도 TUM은 효율적인 제조 방식을 추구했습니다. 초기 설계에는 radax 링이 장섬유 열가소성(LFT) 과립으로 프레스 성형되고 탈형되어 통합을 위해 준비되는 제조 개념이 포함됩니다. 그런 다음 전체 모듈은 현장 통합(TP-AFP)과 함께 열가소성 자동 섬유 배치를 사용하여 배치됩니다.

물론 모듈 자체가 1차 "실험" 역할을 하므로 TUM은 2차 실험에 필요한 장비를 모듈 내부에 로드할 기회가 있었습니다. 팀은 내장형 광섬유 센서(FOS)를 사용하여 복합 구조 내부의 온도를 측정하기로 결정했습니다. Engelhardt는 FOS가 얇은 직경과 섬유 모양으로 인해 CFRP 쉘의 기계적 성능이 최소한으로 감소하고 광학 신호가 로켓이 만나는 전자기장에서 교란되기 쉽지 않기 때문에 열전대보다 FOS를 선택했다고 설명합니다. 4개의 FOS, 특히 캡슐형 섬유 브래그 격자(FBG) 센서는 TP-AFP 제조 중에 라미네이트 내의 다양한 위치와 깊이에 내장되고 나중에 센서를 작동하는 모듈 내부의 측정 시스템에 연결됩니다. 측정 시스템은 데이터를 수집 및 관리하고 지상국에 대한 다운링크를 제공합니다.

2단계 제조 공정

모듈을 제조하기 위해 TUM 팀은 먼저 링을 형성합니다. Victrex plc(Lancashire, UK) PEEK 450CA30 LFT 과립(2-3mm 길이의 탄소 섬유 함유)을 프레스 성형하여 링 모양의 주형으로 만듭니다. 프레스는 390˚C로 가열되고 증가하는 힘 수준(50-200kN)으로 압축된 다음 100˚C에서 냉각되고 이형됩니다.

쉘은 AFPT GmbH(독일 Doerth)의 TP-AFP 장비에서 Teijin(일본 도쿄) Tenax 단방향 탄소 섬유/PEEK 프리프레그 테이프로 만들어집니다. TP-AFP 공정은 실온에서 CFRP 하중 입력 링에 열가소성 테이프를 현장에서 통합할 수 있습니다. 오토클레이브 통합이 필요하지 않으며 이전에 제조된 링에 통합하면 추가 기계적 패스너 또는 접착제가 필요하지 않습니다. Engelhardt는 이 2단계 프로세스의 결과에 만족합니다. "이것은 새로운 조합입니다."라고 그는 말합니다. "열가소성 테이프로 현장 통합을 수행하는 것은 항상 어려운 일이지만 여기서는 테이프를 두꺼운 일체형 링에 성공적으로 배치했습니다."

Engelhardt는 또한 새로운 기술적 도전이었던 FOS 통합에 만족하고 있습니다. TUM은 순수 수지에 FOS를 사용한 경험이 있지만 복합 라미네이트에는 사용하지 않고 열가소성 AFP 공정을 사용하지도 않았습니다. 팀은 이 과제를 해결하고 비행 자격을 달성했습니다.

마지막으로 이 모듈은 측정 장치를 위한 마운팅 플레이트 역할을 하는 별도의 격벽을 통합합니다. 격벽은 모듈의 실린더와 동일한 탄소 섬유/PEEK 재료로 구성된 평평한 유기 시트에서 돔 모양으로 열성형됩니다.

자격을 위한 디자인

비행 자격에 도달하기 위해 TUM은 완전한 테스트, 시뮬레이션 및 평가 프로세스를 통해 이 프로젝트를 진행했습니다. 첫째, 재료는 상온 및 최대 사용 온도 135˚C에서 쿠폰 수준으로 특성화되었습니다. 하위 구성 요소 테스트는 링과 쉘 사이 인터페이스의 허용 가능한 층간 전단 성능과 로켓 모듈을 연결하는 데 사용되는 패스너의 적절한 인발 강도를 보장하는 데 도움이 되었습니다. 초기 테스트의 데이터는 시뮬레이션 및 설계에 대한 입력을 제공했습니다.

유한 요소 구조 분석은 팀이 라미네이트 레이업을 최적화하는 데 도움이 되었습니다. 실린더의 결과는 34층 대칭 레이업(0˚/±15˚/±45˚/90˚)입니다. 모듈 제조 후 TUM은 본격적인 테스트를 수행했습니다. 비행 자격 부하를 충족하기 위해 모듈은 0.083g ² 주파수 수준에서 0-300Hz에서 진동 테스트를 거쳤습니다. /Hz. 또한 14kNm의 자격 하중에서 성공적인 성능을 입증한 굽힘 테스트를 거쳤습니다.

추가 개선 예정

REXUS 23 임무는 원래 2018년 3월로 예정되어 있었지만 이전 REXUS 임무 중 어려움으로 인해 연기되었습니다. 발사는 현재 스웨덴 키루나에서 2019년 2월 말 또는 3월 초로 예정되어 있습니다. TUM 팀은 지난 가을에 두 번째 모듈을 구축하고 테스트/검증함으로써 추가 시간을 활용했습니다. 이 새로운 장치에서 팀은 하중 입력 링을 프레스 성형하는 대신 Elekem Ltd.(Lancashire, UK)에서 원심 주조한 링을 사용했습니다. Engelhardt는 원자재가 동일하며 프레스 성형 링이 있는 원래 모듈이 모든 비행 자격을 충족한다고 말했습니다. 그러나 새로운 모듈은 허용 가능한 수준에서 이상적인 수준에 가까운 링 성능을 향상시킵니다. Engelhardt는 "프레스 성형 공정은 여전히 ​​최적화가 필요하지만 매우 유망합니다."라고 말합니다.

Engelhardt는 미래 목표와 TUM이 미래에 프레스 성형으로 되돌아가는 이유는 AFP 공정에서 나온 스크랩 재료로 링을 만드는 것이라고 보고했습니다. "우리는 롤에 남은 컷아웃과 재료를 가져와서 잘게 썬 다음 이 작은 조각을 사용하여 링을 프레스 성형할 것입니다."라고 그는 설명합니다. 이 재활용 프로세스와 관련된 제한된 데이터와 경험으로 TUM은 Mission 23 작업의 시간과 예산 제한 내에서 이를 구현할 수 없었습니다. 가까운 미래의 우주 비행을 위해 재활용 재료로 만든 고리를 만들고 자격을 갖추는 것이 희망입니다.

임무가 완료되면 TUM은 FOS 데이터를 사용하여 비행 중 모듈의 열 부하에 대한 보다 자세한 그림을 개발합니다. 이러한 지식은 모듈 설계 및 치수 결정뿐만 아니라 재료 선택의 수정으로 이어질 수 있습니다. Engelhardt는 "열 시뮬레이션은 이전 측정을 기반으로 수행되었지만 곧 실제 데이터를 얻게 될 것"이라고 지적합니다. "우리는 PEEK의 유리 전이 온도(T_g ) 143˚C"라고 설명합니다. “낮은 T_g 더 저렴한 폴리머를 사용할 수 있음을 의미합니다."

더 저렴한 폴리머와 재활용 재료의 사용은 우주 운송 비용을 크게 줄이려는 우주 산업의 전반적인 목표에 기여할 것입니다. 그러나 TUM의 REXUS 노력의 가장 큰 기여는 의심할 여지 없이 이미 달성한 40%의 무게 감소입니다.