NCC의 복합형 V형 탱크는 미래의 복합 우주 탱크 기술을 보여줍니다.

National Composites Center(NCC, Bristol, UK)는 항공우주 제조업체인 Thales Alenia Space(Cannes, France)의 산업 지침에 따라 SpaceTank 프로젝트에서 모든 복합 라이너리스(Type V) 탱크 시연기를 제조했습니다. 발사체 및 위성 추진제 탱크에 사용되는 대표적인 탱크로, 현재 사용 중인 기존 금속 추진제 탱크에 비해 약 30%의 중량 절감 효과를 제공한다고 합니다. NCC는 미래의 우주 추진 요구를 위한 복합 탱크 제조에 대한 영국의 관심을 불러일으키기 위해 이를 입증했습니다. NCC에 따르면 이 쇼케이스 프로젝트는 탱크의 구조적 무게를 줄이고 위성 발사 비용을 낮춤으로써 우주 추진의 미래 공학 구조에 첨단 복합 재료 기술이 어떻게 중요한 역할을 하는지 보여줍니다(사례 연구의 PDF 다운로드).

SpaceTank 프로젝트의 전반적인 목표는 극저온 압력 용기의 제조 및 검사에 필요한 영국 기반 연구 및 개발 도구를 개발하는 것이었습니다. 보다 구체적으로 말하면, 1년 간의 프로젝트는 극저온 추진제를 담을 탱크를 위한 새로운 제조 솔루션을 개발하는 데 초점을 맞췄습니다.

우주 산업은 우주에서 복합 재료의 중요한 역할을 인식하고 있으며 일부 회사는 이미 우주 탱크 설계에서 복합 재료의 사용을 모색하고 있습니다. 예를 들어 Virgin Orbit(미국 캘리포니아주 롱비치)와 RocketLab(뉴질랜드 오클랜드)은 Launcher One의 금속 대안으로 복합 탱크를 개발하고 시연했습니다. 및 전자 각각 로켓. 호주에서는 Omni Tanker(Smeaton Grange)와 파트너들이 복합 라이너리스 액체 수소 탱크(LH₂ ), 그리고 유럽에 더 가까운 MT Aerospace(독일 아우크스부르크)는 새로운 로켓 연료 탱크에 대한 재료와 제조 방법을 개발하고 테스트를 진행 중입니다. NCC SpaceTank 프로젝트는 영국을 이 분야의 핵심 플레이어로 한 단계 끌어올릴 것으로 기대됩니다.

제작된 NCC SpaceTank 실증기는 길이가 750mm, 지름이 450mm, 유체 저장 용량이 96리터 이상입니다. 4.0-5.5mm의 공칭 벽 두께로 설계 및 제조되어 탱크가 85bar의 압축 추진제를 견딜 수 있습니다. 탄소 섬유 복합 재료 본체는 8kg의 재료 질량으로 구성되어 있지만 NCC에 따르면 모든 엔지니어링 구조와 마찬가지로 SpaceTank를 사용하여 이 무게 감소를 더욱 최적화할 수 있는 추가 기회가 있습니다. 또한 NCC SpaceTank의 압력 등급은 더 높은 강도의 탄소 섬유를 사용하고 복합 재료 두께를 증가시켜 증가할 수 있습니다. 또는 SpaceTank는 더 얇고 강성이 낮은 복합 재료를 사용하여 훨씬 더 낮은 압력 애플리케이션을 위한 무게와 비용에 최적화될 수 있습니다.

SpaceTank 프로젝트 동안 NCC 팀은 최종 제품에 필요한 2차 조립 및 접합 작업의 필요성을 제거하기 위해 세척 가능한 도구에 금속 유체 밸브 포트를 포함하는 혁신적인 방법을 개발했습니다. 이 유체 밸브 포트는 새로운 도구에 고정되어 제조 공정의 후반 단계에서 탄소 섬유에 함께 결합될 수 있습니다.

탱크의 본체는 300밀리미터 테이프 너비로 SHD Composites(미국 노스캐롤라이나주 무어스빌)에서 공급하는 MTC510 에폭시 탄소 섬유 프리프레그를 사용합니다. MTC510은 80°C ~ 120°C 사이에서 경화되도록 특별히 설계된 에폭시 수지 시스템이며 손상 내성을 높이기 위해 강화되었습니다.

이 재료는 Bindatex(Bolton, UK)의 SpaceTank 제조 공정을 위해 준비되었으며, 이 회사는 또한 테이프의 좁은 너비 정밀 슬리팅을 수행하고 규정에 따라 준비된 6.35mm 형식으로 재료의 22,000미터(약 72,178피트)를 반환했습니다. NCC의 Coriolis(프랑스 Queven) AFP(Automated Fiber Placement) 제조 셀에서 사용하기 위한 요구 사항입니다.

슬릿 테이프는 Coriolis AFP 시스템의 장력 필라멘트 와인딩 작업을 사용하여 세척 가능한 도구에 부착되었습니다. Material의 Cadwind(Brussels, Belgium) 필라멘트 와인딩 소프트웨어를 사용하여 NCC 엔지니어가 설계한 나선형 및 후프 와인딩의 조합을 사용하여 공칭 5.5mm 두께로 24개 이상의 재료 레이어를 증착했습니다. 여기에 사용된 권선의 두께와 방향/각도는 설명용입니다. NCC는 복합재 벽 두께를 늘리거나 줄이고 특정 압력 또는 적재 요구 사항에 대해 탱크를 완전히 최적화하기 위해 감기 각도와 플라이 구조를 변경할 수 있습니다.

재료 증착 직후 NCC SpaceTank의 결함과 두께 변화를 검사했습니다. 그런 다음 100°C에서 오토클레이브 경화되고 이후에 다시 검사되었습니다. 초음파 C-스캐닝 및 열화상 비파괴 검사(NDT) 검사 기술은 경화 후 사용되었으며 이러한 방법은 박리 및 다공성과 같은 결함에 대해 미래 탱크 검사의 적합성을 비교 및 ​​대조했습니다. 마지막으로 NDT 품질 평가를 완료한 후 내부 탱크 캐비티를 비어 있는 상태로 유지하기 위해 내부 툴링 코어를 가압 냉각수로 세척했습니다.

NCC에 따르면 라이너가 없는 SpaceTank의 툴링 기술은 어려운 것으로 판명되어 AeroConsultants(영국 헌팅던)와 협력하여 회사의 Aqua 수용성 코어 재료를 사용하여 주조 공정을 개발하게 되었습니다. 완성된 도구는 두 부분으로 주조된 다음 접착되는 공칭 벽 두께가 30밀리미터인 중앙 집중식 수 코어를 특징으로 합니다. 이 도구에는 자동화된 합성물 레이업 동안 예상되는 비틀림 하중과 오토클레이브 경화 중에 가해지는 압력을 견딜 수 있도록 설계 및 제조된 3개의 내부 보강 링이 있습니다.

NCC의 이 시연은 이제 영국에서 미래 추진제 탱크 개발을 위한 연구 기반을 제공하고 합성 탱크 제조를 위한 첨단 부품 및 장비에 대한 새로운 영국 공급망을 지원하는 데 도움이 됩니다.

이 분야에 대한 향후 연구 활동도 전 세계 우주 경제에서 영국의 5% 점유율 증가를 뒷받침할 것으로 알려졌다. 2021년 5월 영국 정부의 보고서에 따르면 영국의 우주 산업 수입은 2016/2017년 148억 파운드에서 2018/2019년 164억 파운드로 증가했습니다. 영국 우주국(UK Space Agency)의 요약 보고서는 또한 지난 2년(2019-2021) 동안 영국 우주 부문에서 3,000개 이상의 일자리가 창출되었음을 강조했습니다.