El módulo CFRP ahorra peso en el diseño de cohetes

"Ambicioso" puede ser una caracterización subestimada cuando se trata de los objetivos de la industria espacial para reducir el costo del transporte espacial. Un ejemplo de ello es que la Administración Nacional de la Atmósfera y el Espacio de los EE. UU. (NASA, Washington, DC) informa que uno de sus objetivos es reducir el costo de poner una carga útil en órbita terrestre de $ 10,000 / lb en la actualidad a cientos de dólares por libra en 25 años y decenas de dólares la libra en 40 años. Al otro lado del Atlántico, los objetivos también son elevados:la Agencia Espacial Europea (ESA, París, Francia), por ejemplo, ha declarado su intención para el Ariane 6 cohete para igualar o superar el costo de carga útil por kilogramo del SpaceX (Hawthorne, CA, EE. UU.) Falcon 9 , estimado en menos de $ 7,500 / kg para la órbita de transferencia geosincrónica (donde residen la mayoría de los satélites) y menos de $ 3,000 / kg para la órbita terrestre baja.

No debería sorprender, entonces, que numerosas organizaciones de la industria espacial persigan el aligeramiento estructural de cohetes, o que los materiales compuestos se exhiban en tales esfuerzos. El éxito en estos objetivos depende inicialmente de encontrar formas de lograr los objetivos de aligeramiento cumpliendo con los estándares ya establecidos para los componentes metálicos de referencia, incluida la geometría de la pieza y las propiedades termomecánicas.

Afortunadamente, tales limitaciones no han impedido que la Cátedra de compuestos de carbono de la Universidad Técnica de Munich (TUM, Munich, Alemania) supere las estimaciones iniciales de una posible reducción del peso del 30% del módulo de carga útil científica de un cohete de investigación. De hecho, el primer módulo de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP), que TUM diseñó y construyó en el marco del programa Rocket Experiments for University Students (REXUS), logró una reducción de peso superior al 40%, informa Ralf Engelhardt, investigador asociado de la cátedra. de compuestos de carbono. Esta reducción de peso ofrece numerosas opciones de ahorro de costes para la misión:cargas útiles más pesadas, mayor apogeo o menor consumo de combustible.

Diseñar dentro de condiciones de contorno

El módulo de cohetes de TUM comprende una sección del cohete de investigación REXUS, que está financiado por el Centro Aeroespacial Alemán (DLR, Colonia, Alemania), la Agencia Espacial Nacional Sueca (SNSA, Estocolmo, Suecia) y la ESA, y financia proyectos universitarios en toda Europa. . Los cohetes de investigación REXUS se lanzan dos veces al año para permitir la experimentación universitaria durante el vuelo suborbital. Vuelan a una altura máxima de 80-100 km, con una velocidad vertical máxima de unos 1.200 m / sy una aceleración máxima de unos 20G. La estructura básica de los módulos de carga útil científica es de aluminio, con un diámetro exterior de 356 mm y una longitud de 300 mm. El módulo TUM CFRP fue diseñado para REXUS Mission 23, para el cual la fecha de lanzamiento prevista actual es principios de 2019.

Si bien el programa REXUS generalmente apoya proyectos científicos universitarios realizados dentro los módulos de carga útil científica, el proyecto TUM es único en el sentido de que el tema del experimento es el módulo compuesto en sí mismo - su diseño, fabricación, desempeño y calificación para vuelo. “Nuestro objetivo principal era reemplazar el aluminio con CFRP, que no es la misión típica”, enfatiza Engelhardt.

El módulo consta de una carcasa cilíndrica de CFRP (356 mm de diámetro y 300 mm de largo, como el aluminio original) y dos anillos de entrada de carga de material compuesto termoplástico radial-axial (radax), uno macho y otro hembra, que proporcionan conexión por perno a los módulos adyacentes. . El diseño de CFRP se creó para cumplir con requisitos específicos de propiedades geométricas y termomecánicas, necesarios porque el módulo debe funcionar de acuerdo con estándares consistentes con el resto del cohete. Debido a esto, la geometría del módulo fue predefinida, incluido el requisito de coincidir con el grosor de la pared de la versión de aluminio. El módulo también tenía que conseguir la misma rigidez que la versión de aluminio. Las características menos flexibles del módulo son la geometría y las propiedades mecánicas de los anillos de entrada de carga del módulo, que deben mantener la posición y la integridad en relación con los módulos a los que están conectados.

El módulo TUM está fabricado con un material de fibra de carbono / polieteretercetona (PEEK), seleccionado por su alto rendimiento mecánico y térmico, así como por su mayor resistencia y rigidez específicas en comparación con el aluminio. En el ensamblaje final, se adhiere una capa de corcho a la carcasa para proporcionar aislamiento térmico. Además de la reducción de peso esperada del 30%, TUM también buscó un enfoque de fabricación eficiente. El diseño inicial incluye un concepto de fabricación en el que los anillos radax se forman a presión a partir de gránulos termoplásticos de fibra larga (LFT), se desmoldan y se preparan para la integración; luego, el módulo completo se coloca mediante la colocación automatizada de fibra termoplástica con consolidación in situ (TP-AFP).

Por supuesto, con el módulo en sí mismo sirviendo como el "experimento" principal, TUM tuvo la oportunidad de cargar el equipo necesario para experimentos secundarios dentro del módulo. El equipo eligió medir las temperaturas internas de la estructura compuesta utilizando sensores de fibra óptica integrados (FOS). Engelhardt explica que los FOS se eligieron sobre los termopares porque su diámetro delgado y su forma fibrosa dan como resultado una reducción mínima del rendimiento mecánico de la carcasa de CFRP y porque las señales ópticas no son propensas a perturbar los campos electromagnéticos que encuentra el cohete. Cuatro FOS, específicamente, sensores de rejilla de Bragg de fibra encapsulada (FBG), se incrustan durante la fabricación de TP-AFP en diferentes posiciones y profundidades dentro del laminado, y luego se conectan a un sistema de medición dentro del módulo que opera los sensores. El sistema de medición recopila y administra los datos y proporciona un enlace descendente a la estación terrestre.

Proceso de fabricación de dos pasos

Para fabricar el módulo, el equipo de TUM primero forma los anillos. Los gránulos de Victrex plc (Lancashire, Reino Unido) PEEK 450CA30 LFT (que contienen fibra de carbono en longitudes de 2-3 mm) se prensan en moldes en forma de anillo. La prensa se calienta a 390˚C, se compacta a niveles de fuerza crecientes (50-200 kN), luego se enfría y se desmolda a 100˚C.

La carcasa está hecha de cinta preimpregnada de PEEK / fibra de carbono unidireccional Tenax de Teijin (Tokio, Japón) en equipos TP-AFP de AFPT GmbH (Doerth, Alemania). El proceso TP-AFP permite la consolidación in situ de la cinta termoplástica a temperatura ambiente en los anillos de entrada de carga de CFRP. No se requiere consolidación en autoclave, y la consolidación en los anillos fabricados previamente elimina la necesidad de sujetadores mecánicos o adhesivos adicionales. Engelhardt está satisfecho con el resultado de este proceso de dos pasos. "Esta es una nueva combinación", señala. “Siempre es un desafío realizar la consolidación in situ con cinta termoplástica, pero aquí, colocamos con éxito la cinta en anillos monolíticos gruesos”.

Engelhardt también está satisfecho con la integración de FOS, que fue un nuevo desafío técnico. TUM tenía experiencia en el empleo de FOS en resina pura, pero no en un laminado compuesto y sin utilizar un proceso de AFP termoplástico. El equipo enfrentó este desafío y logró un desempeño de calificación de vuelo.

Finalmente, el módulo incorpora un mamparo separado, que sirve como placa de montaje para dispositivos de medición. El mamparo se termoforma en forma de domo a partir de una hoja orgánica plana compuesta del mismo material de fibra de carbono / PEEK que el cilindro del módulo.

Diseño para la calificación

Para alcanzar la calificación de vuelo, TUM avanzó este proyecto a través de un proceso completo de prueba, simulación y evaluación. Primero, los materiales se caracterizaron a nivel de cupón a temperatura ambiente y a una temperatura máxima de servicio de 135 ° C. Las pruebas de subcomponentes ayudaron a garantizar un rendimiento de cizallamiento interlaminar aceptable de la interfaz entre los anillos y la carcasa, así como una resistencia de extracción adecuada de los sujetadores utilizados para conectar los módulos del cohete. Los datos de las pruebas iniciales proporcionaron información para la simulación y el diseño.

El análisis estructural de elementos finitos ayudó al equipo a optimizar la disposición del laminado. El resultado del cilindro es una disposición simétrica de 34 capas (0˚ / ± 15˚ / ± 45˚ / 90˚). Después de la fabricación del módulo, TUM realizó pruebas a gran escala. Para cumplir con las cargas de calificación de vuelo, el módulo se sometió a pruebas de vibración de 0 a 300 Hz a un nivel de frecuencia de 0.083 g ² / Hz. También se sometió a una prueba de flexión, que demostró un rendimiento satisfactorio bajo la carga de calificación de 14 kNm.

Más mejoras por venir

La misión REXUS 23 estaba programada originalmente para marzo de 2018, pero se pospuso debido a dificultades durante una misión REXUS anterior. El lanzamiento ahora está programado para fines de febrero o principios de marzo de 2019 desde Kiruna, Suecia. El equipo de TUM aprovechó el tiempo adicional para construir un segundo módulo y probarlo / calificarlo el otoño pasado. En esta nueva unidad, en lugar de prensar los anillos de entrada de carga, el equipo hizo que Elekem Ltd. (Lancashire, Reino Unido) fundiera los anillos por centrifugación. Las materias primas son las mismas, dice Engelhardt, y el módulo original con los anillos formados a presión cumplió con todas las calificaciones de vuelo. Pero el nuevo módulo avanza el rendimiento del anillo de un nivel aceptable más cercano a un nivel ideal. “El proceso de conformado por prensado aún necesita cierta optimización”, dice Engelhardt, “pero es muy prometedor”.

Un objetivo futuro, informa Engelhardt, y la razón por la que TUM volverá a la formación en prensa en el futuro, es fabricar los anillos a partir de material de desecho del proceso AFP. “Tomaremos los recortes y el material sobrante en un rollo, lo trituraremos y luego usaremos esos trozos pequeños para formar los anillos a presión”, explica. Con datos y experiencia limitados relacionados con este proceso de reciclaje, TUM no pudo implementarlo dentro de las restricciones de tiempo y presupuesto de su trabajo Mission 23. La esperanza es construir y calificar los anillos hechos de material reciclado para un vuelo espacial en un futuro cercano.

Una vez que se complete la misión, TUM utilizará los datos de FOS para desarrollar una imagen más detallada de las cargas térmicas en el módulo durante el vuelo. Este conocimiento puede dar lugar a modificaciones en la elección del material, así como en el diseño y dimensionamiento del módulo. “Se realizaron simulaciones térmicas basadas en mediciones anteriores, pero pronto tendremos datos reales”, señala Engelhardt. "Es posible que descubramos que no es necesario que tengamos la temperatura de transición vítrea de PEEK (T _g ) de 143˚C ”, ilustra. "Una T _g más baja significa que posiblemente podríamos usar un polímero más barato ".

Tanto un polímero menos costoso como el uso de materiales reciclados contribuirán al objetivo general de la industria espacial de reducir el costo del transporte espacial en órdenes de magnitud. Pero la mayor contribución del esfuerzo REXUS de TUM, sin duda, es la reducción de peso del 40% ya lograda.