Módulo CFRP avanzado reduce peso de cohete, impulsando eficiencia de lanzamiento

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

No debería sorprender, entonces, que el aligeramiento estructural de cohetes esté siendo perseguido por numerosas organizaciones de la industria espacial, o que los materiales compuestos sean protagonistas en tales esfuerzos. El éxito en estas búsquedas depende inicialmente de encontrar formas de lograr metas de aligeramiento mientras se cumple con estándares ya establecidos para componentes metálicos base, incluyendo geometría de pieza y propiedades termo-mecánicas.

Afortunadamente, tales restricciones no han impedido que la Cátedra de Compuestos de Carbono de la Universidad Técnica de Múnich (TUM, Múnich, Alemania) exceda estimaciones tempranas de una posible reducción de 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) tal, que TUM diseñó y construyó bajo el programa Rocket Experiments for University Students (REXUS), logró una reducción de peso mayor al 40%, reporta Ralf Engelhardt, asociado de investigación en la Cátedra de Compuestos de Carbono. Tal reducción de peso produce numerosas opciones de ahorro de costo para la misión: cargas útiles más pesadas, apogeos más altos o consumo de combustible reducido.

Diseñando dentro de condiciones de contorno

El módulo de cohete de TUM comprende una sección del cohete de investigación REXUS, que es financiado por el Centro Aeroespacial Alemán (DLR, Colonia, Alemania), la Agencia Espacial Nacional Sueca (SNSA, Estocolmo, Suecia) y la ESA, y financia proyectos universitarios a través de Europa. Los cohetes de investigación REXUS se lanzan dos veces al año para permitir experimentación universitaria durante vuelo suborbital. Vuelan a una altura máxima de 80-100 km, con velocidad vertical máxima de aproximadamente 1,200 m/s y aceleración máxima de aproximadamente 20G. La estructura base de los módulos de carga útil científica es aluminio, con diámetro exterior de 356 mm y longitud de 300 mm. El módulo CFRP de TUM fue diseñado para Misión REXUS 23, para la cual la fecha de lanzamiento actual esperada es principios de 2019.

Mientras el programa REXUS típicamente apoya proyectos de ciencia universitaria conducidos dentro de los módulos de carga útil científica, el proyecto de TUM es único en que el sujeto del experimento es el módulo compuesto mismo —su diseño, fabricación, rendimiento y calificación para vuelo. "Nuestra meta primaria era reemplazar aluminio con CFRP, que no es la misión típica", enfatiza Engelhardt.

El módulo consiste en una carcasa cilíndrica CFRP —356 mm de diámetro y 300 mm de largo, como el aluminio original— y dos anillos de entrada de carga radial-axial (radax) de compuesto termoplástico, uno macho y uno hembra, que proporcionan conexión por pernos a módulos adyacentes. El diseño CFRP fue creado para cumplir requisitos específicos de propiedades termo-mecánicas y geométricas, necesitados porque el módulo debe rendir según estándares consistentes con el resto del cohete. Debido a esto, la geometría del módulo fue pre-definida, incluyendo un requisito para igualar el espesor de pared de la versión de aluminio. El módulo también tenía que lograr la misma rigidez que la versión de aluminio. Las características menos flexibles del módulo son la geometría y propiedades mecánicas de los anillos de entrada de carga del módulo, que deben mantener posición e integridad relativa a los módulos a los que están unidos.

El módulo de TUM está hecho de material de fibra de carbono/polieteretercetona (PEEK), seleccionado por su alto rendimiento mecánico y térmico, así como su mayor resistencia y rigidez específica comparada con aluminio. En el ensamblaje final, una capa de corcho se une adhesivamente a la carcasa para proporcionar aislamiento térmico. Además de la reducción de peso esperada del 30%, TUM también persiguió un enfoque de fabricación eficiente. El diseño inicial incluye un concepto de fabricación en el que los anillos radax son prensados en forma desde gránulos de termoplástico de fibra larga (LFT), desmoldeados y preparados para integración; luego el módulo completo se estratifica usando colocación automática de fibra termoplástica con consolidación in-situ (TP-AFP).

Por supuesto, con el módulo mismo sirviendo como el "experimento" primario, TUM tuvo oportunidad de cargar equipo necesario para experimentos secundarios dentro del módulo. El equipo eligió medir temperaturas internas a la estructura compuesta usando sensores de fibra óptica embebidos (FOS). Engelhardt explica que se eligieron FOS sobre termopares porque su diámetro delgado y forma fibrosa resultan en reducción mínima del rendimiento mecánico de la carcasa CFRP, y porque las señales ópticas no son propensas a perturbación en los campos electromagnéticos que el cohete encuentra. Cuatro FOS —específicamente, sensores de rejilla de Bragg de fibra encapsulada (FBG)— se embeben durante fabricación 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 gestiona 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. Gránulos LFT Victrex plc (Lancashire, Reino Unido) PEEK 450CA30 (conteniendo fibra de carbono en longitudes de 2-3 mm) son prensados en moldes con forma de anillo. La prensa se calienta a 390°C, compactada a niveles de fuerza crecientes (50-200 kN), luego enfriada y desmoldeada a 100°C.

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

Engelhardt también está satisfecho con la integración de FOS, que fue un nuevo desafío técnico. TUM tenía experiencia empleando FOS en resina pura, pero no en un laminado compuesto, y no usando un proceso AFP termoplástico. El equipo superó este desafío y logró rendimiento de calificación de vuelo.

Finalmente el módulo incorpora un tabique separado, que sirve como placa de montaje para dispositivos de medición. El tabique se termoforma en su forma de cúpula desde una organolámina plana compuesta del mismo material de fibra de carbono/PEEK que el cilindro del módulo.

Del diseño a la calificación

Para alcanzar calificación de vuelo, TUM avanzó este proyecto a través de un proceso completo de prueba, simulación y evaluación. Primero, los materiales fueron caracterizados a nivel de cupón a temperatura ambiente y a temperatura máxima de servicio de 135°C. Pruebas de subcomponentes ayudaron a asegurar rendimiento de cizallamiento interlaminar aceptable de la interfaz entre anillos y carcasa, así como resistencia de extracción adecuada de los sujetadores usados para conectar los módulos del cohete. Datos de pruebas iniciales proporcionaron entrada para simulación y diseño.

Análisis estructural de elementos finitos ayudó al equipo a optimizar el estratificado. El resultado para el cilindro es un estratificado simétrico de 34 capas (0°/±15°/±45°/90°). Tras la fabricación del módulo, TUM condujo pruebas a escala completa. Para cumplir cargas de calificación de vuelo, el módulo fue sometido a pruebas de vibración de 0-300 Hz a un nivel de frecuencia de 0.083 g²/Hz. También fue sometido a una prueba de flexión, que demostró rendimiento exitoso bajo la carga de calificación de 14 kNm.

Más mejoras por venir

La misión REXUS 23 fue originalmente programada para marzo de 2018, pero fue pospuesta debido a dificultades durante una misión REXUS previa. El lanzamiento ahora está programado para finales de febrero o principios de marzo de 2019 desde Kiruna, Suecia. El equipo de TUM aprovechó el tiempo adicional construyendo un segundo módulo y probándolo/calificándolo el otoño pasado. En esta nueva unidad, en lugar de prensar los anillos de entrada de carga, el equipo hizo que los anillos fueran fundidos centrífugamente por Elekem Ltd. (Lancashire, Reino Unido). Las materias primas son las mismas, dice Engelhardt, y el módulo original con anillos prensados cumplió todas las calificaciones de vuelo. Pero el nuevo módulo avanza el rendimiento del anillo desde un nivel aceptable más cerca de un nivel ideal. "El proceso de prensado aún necesita algo de optimización", dice Engelhardt, "pero es muy prometedor".

Una meta futura, reporta Engelhardt, y la razón por la que TUM volverá al prensado en el futuro, es hacer los anillos de material de desecho del proceso AFP. "Tomaremos recortes y material sobrante en un rollo, lo trituraremos, luego usaremos esas piezas pequeñas para prensar los anillos", 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 de Misión 23. La esperanza es construir y calificar los anillos hechos de material reciclado para un vuelo espacial en el futuro próximo.

Una vez completada la misión, TUM usará los datos de FOS para desarrollar una imagen más detallada de cargas térmicas en el módulo durante el vuelo. Tal conocimiento puede llevar a modificaciones de elección de material así como diseño y dimensionamiento del módulo. "Simulaciones térmicas se realizaron basadas en mediciones previas, pero pronto tendremos datos reales", señala Engelhardt. "Podemos encontrar que no necesitamos la temperatura de transición vítrea (Tg) de PEEK de 143°C", ilustra. "Una Tg más baja significa que podríamos posiblemente 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 disminuir el costo del transporte espacial por órdenes de magnitud. Pero la mayor contribución del esfuerzo REXUS de TUM indudablemente es la reducción de peso del 40% ya lograda.