El tanque Tipo V todo composite del NCC establece nuevo estándar para propulsión espacial ligera

El National Composites Centre (NCC, Bristol, Reino Unido), con orientación industrial del fabricante aeroespacial Thales Alenia Space (Cannes, Francia), ha fabricado un demostrador de tanque todo composite sin revestimiento (Tipo V) bajo el proyecto SpaceTank. Se dice que es representativo de los usados para tanques de propelente de vehículos de lanzamiento y satélites, ofreciendo un ahorro de peso estimado del 30% comparado con tanques metálicos convencionales en uso actual. El NCC ha demostrado esto para involucrar el interés del Reino Unido en la fabricación de tanques compuestos para futuras necesidades de propulsión espacial. Según el NCC, este proyecto muestra cómo la tecnología avanzada de composites puede desempeñar un papel vital en futuras estructuras ingenieriles en propulsión espacial reduciendo el peso estructural del tanque y bajando los costes de lanzamiento de satélites (descargar PDF del caso de estudio).

Objetivos del proyecto SpaceTank

El objetivo general del proyecto SpaceTank era desarrollar herramientas de investigación y desarrollo basadas en el Reino Unido necesarias para la fabricación e inspección de recipientes a presión criogénicos. Más específicamente, el proyecto de un año se centró en desarrollar una nueva solución de fabricación para tanques que contengan propelentes criogénicos.

Contexto internacional

La industria espacial reconoce el papel crítico de los materiales compuestos en el espacio, con algunas empresas ya explorando su uso en diseño de tanques espaciales. Por ejemplo, Virgin Orbit (Long Beach, California, EE. UU.) y Rocket Lab (Auckland, Nueva Zelanda) han desarrollado y demostrado tanques compuestos como alternativas al metal para los cohetes Launcher One y Electron respectivamente. En Australia, Omni Tanker (Smeaton Grange) y socios buscan desarrollar y comercializar un tanque de hidrógeno líquido (LH₂) linerless compuesto, y más cerca en Europa, MT Aerospace (Augsburgo, Alemania) está desarrollando materiales y métodos de fabricación y sometiendo a pruebas un novedoso tanque de combustible para cohetes. Se espera que el proyecto SpaceTank del NCC eleve al Reino Unido como actor clave en este campo.

Especificaciones del demostrador

El demostrador SpaceTank del NCC creado mide 750 milímetros de largo, tiene un diámetro de 450 milímetros y una capacidad de almacenamiento de fluido de más de 96 litros. Ha sido diseñado y fabricado con un espesor nominal de pared de 4,0-5,5 milímetros, lo que permite al tanque soportar 85 bar de propelente a presión. El cuerpo principal de composite de fibra de carbono comprende 8 kilogramos de masa de material, pero según el NCC, como en todas las estructuras ingenieriles, hay más oportunidades con SpaceTank para optimizar esta reducción de peso. Además, la clasificación de presión del SpaceTank del NCC puede aumentarse con el uso de fibras de carbono de mayor resistencia y aumentando el espesor del composite. Alternativamente, el SpaceTank podría optimizarse para peso y coste para aplicaciones de presión mucho menor usando un material composite más delgado y de menor rigidez.

Innovación en fabricación e inspección

Durante el proyecto SpaceTank, el equipo del NCC desarrolló un método innovador para incluir los puertos de válvula de fluido metálicos en el utillaje lavable, eliminando la necesidad de cualquier operación secundaria de ensamblaje y unión para el producto final. Estos puertos de válvula de fluido se mantuvieron en el utillaje novedoso, permitiendo su co-curado con la fibra de carbono durante la etapa final del proceso de fabricación.

El cuerpo principal del tanque usa prepreg de fibra de carbono epoxi MTC510 suministrado por SHD Composites (Mooresville, Carolina del Norte, EE. UU.) en ancho de cinta de 300 milímetros. MTC510 es un sistema de resina epoxi diseñado específicamente para curar entre 80 °C y 120 °C y está endurecido para aumentar su tolerancia al daño.

Este material se preparó para el proceso de fabricación SpaceTank por Bindatex (Bolton, Reino Unido), que también realizó el corte de precisión de ancho estrecho de la cinta y devolvió 22.000 metros (aproximadamente 72.178 pies) del material en formato de 6,35 milímetros preparado según los requisitos del NCC para su uso en su célula de fabricación de colocación automática de fibra (AFP) Coriolis (Queven, Francia).

La cinta cortada se depositó sobre el utillaje lavable usando la operación de bobinado de filamento tensado del sistema AFP Coriolis. Una combinación de bobinado helicoidal y circunferencial diseñada por los ingenieros del NCC usando el software de bobinado de filamento Cadwind de Materials (Bruselas, Bélgica) se usó para depositar más de 24 capas del material a un espesor nominal de 5,5 milímetros. El espesor y la dirección/ángulo de bobinado usado aquí fue solo para demostración; es posible que el NCC aumente o disminuya el espesor de la pared composite y altere el ángulo de bobinado y la estructura de capas para optimizar totalmente el tanque para un requisito específico de presión o carga.

Inmediatamente tras la deposición del material, el SpaceTank del NCC fue inspeccionado para detectar defectos y variaciones de espesor. Luego se curó en autoclave a 100 °C y se re-inspeccionó después. Se usaron técnicas de inspección no destructiva (NDT) de ultrasonidos C-Scan y termografía tras el curado, y estos métodos se compararon y contrastaron para su idoneidad en la inspección de futuros tanques para defectos como deslaminación y porosidad. Finalmente, tras completar la evaluación de calidad NDT, el núcleo de utillaje interno se lavó con agua fría a presión para dejar la cavidad interna del tanque vacía.

Desarrollo de utillaje soluble

Según el NCC, la técnica de utillaje para el SpaceTank linerless resultó difícil, lo que llevó al desarrollo de un proceso de fundición en colaboración con AeroConsultants (Huntingdon, Reino Unido) usando el material de núcleo soluble en agua Aqua de la empresa. El utillaje final presenta un núcleo masculino centralizado con un espesor de pared nominal de 30 milímetros fundido en dos partes y luego unido. El utillaje tiene tres anillos de refuerzo internos (lavables) que fueron diseñados y fabricados para ayudar a soportar la carga de torsión esperada durante el layup automático de composite y la presión ejercida durante el curado en autoclave.

Esta demostración del NCC proporciona ahora una base de investigación en el Reino Unido para el futuro desarrollo de tanques de propelente y ayuda a respaldar una nueva cadena de suministro del Reino Unido para componentes y equipos de vanguardia para la fabricación de tanques compuestos.

Impacto en la economía espacial del Reino Unido

La futura actividad de investigación en esta área también apoyará reportedly el aumento de la participación del 5% del Reino Unido en la economía espacial global. Un informe del gobierno del Reino Unido en mayo de 2021 mostró que los ingresos de la industria espacial del Reino Unido aumentaron de 14,8 mil millones de libras en 2016/2017 a 16,4 mil millones de libras en 2018/2019. El informe resumido para la UK Space Agency también destacó que se han creado más de 3.000 empleos dentro del sector espacial del Reino Unido en los últimos dos años (2019-2021).