碳纖維在歐洲航天火箭中的應用 復材雲集|複合材料

復材雲集 發佈 2024-03-25T21:52:55.214362+00:00

‍在進入太空的路上,每一克重量都很關鍵。新的阿麗亞娜6號太空飛行器甚至還沒有飛起來,但開發團隊已經在研究下一代63米高的火箭。目標是將歐洲航天希望的重量減少2噸:火箭的重量越小,它能攜帶的有效載荷就越多。專家們把目光投向了在不萊梅開發和建造的火箭末級。

‍在進入太空的路上,每一克重量都很關鍵。新的阿麗亞娜6號太空飛行器甚至還沒有飛起來,但開發團隊已經在研究下一代63米高的火箭。目標是將歐洲航天希望的重量減少2噸:火箭的重量越小,它能攜帶的有效載荷就越多。

專家們把目光投向了在不萊梅開發和建造的火箭末級。它將在本世紀末被設計成一個"黑色上層舞台",碳纖維複合材料將取代以前的金屬結構。研究人員說:「每多一公斤的有效載荷都會降低發射成本。」在阿麗亞娜6號首次發射前約一年,研究人員作為歐洲火箭製造商阿麗亞娜集團(ArianeGroup)不萊梅基地未來項目的負責人領導一個技術要求很高的 "黑色末級"項目。這個項目是否能夠成功,要到2025年左右才能看到。

鑑於帶有四個助推火箭的重載級的總重量高達860噸,阿麗亞娜6號的末級重量是多2噸還是少2噸,起初似乎並不重要。然而,最終,只有末級與有效載荷一起飛過太空。研究人員說:"這個舞台每變輕一公斤,就直接可以增加有效載荷一公斤。"

自從特斯拉開發商和推特所有者以傾銷價格攪動國際衛星發射市場以來,在通往星空的道路上的競爭一直是殘酷無情的-至少在歐洲太空旅行者看來是這樣。最重要的是有效載荷。有了更輕的末級,阿麗亞娜6號就可以攜帶13.5噸而不是11.5噸的有效載荷進入地球靜止軌道。額外的有效載荷對商業用戶特別有意義,例如來自電信部門。

使用碳纖維而不是金屬來減輕基本結構部件的重量,早已成為航空業日常生活的一部分。航空航天工程師也已經與這種材料打了一段時間的交道。相關人員說:"使用纖維複合材料,設計的自由度非常高,而且需要的連接元件也(如法蘭或螺絲)少得多,"他列舉了一些優點。

然而,也有一些技術挑戰-尋找解決方案是Phoebus項目(高度優化的黑色末級原型;這裡的"黑色"代表黑色材料碳)的重點,歐洲航天局ESA於11月初委託阿麗亞娜集團進行該項目。

不萊梅生產的火箭末級除了發動機外,還包括三個基本部件:一個液態氫和氧的罐子,以及一個外殼,它同時承擔著支撐結構的功能。原則上,用碳纖維纏繞空心體早已不是障礙。航空航天公司MT Aerospace擁有相關經驗;除其他外,這家位於不萊梅的OHB集團的子公司生產航空用碳罐,並憑藉這一技術成為阿麗亞娜集團的Phoebus項目合作夥伴。

與傳統的航空燃料或石蠟不同,火箭燃料給燃料開發商帶來了極大的挑戰:液態氫幾乎會遷移到所有的材料中。Rakers解釋說:「而液氧具有極強的攻擊性,可以攻擊大多數表面。這兩種燃料成分也都儲存在極端溫度下:氫氣在-253℃,氧氣在-198℃。」在這樣的溫度下,任何材料實際上都會惡化。"在這樣的溫度下,實際上每一種材料都會變得很脆,"研究人員說。

在弗勞恩霍夫製造技術和應用材料研究所(IFAM)等機構的幫助下,奧格斯堡和不萊梅的火箭開發者顯然已經成功地克服了這一挑戰。然而, 研究人員不願提供詳細信息:"歸根結底,這是一個用於粘合碳纖維網的樹脂問題"。

接下來的幾個月的測試將顯示該材料是否達到了迄今為止信用卡大小的樣品所做出的承諾。最初,體積為30升至40升的 "瓶子"已經被纏繞和測試。現在,參與項目的工作人員正在一步步接近以後在儲罐建造中所需要的尺寸。他們目前正在積累生產直徑為2.00米的儲罐的經驗。Phoebus項目的最終目標是生產一個直徑為3.50米的示範器。研究人員說:"這相當於未來氧氣罐的直徑,並接近於氫氣罐的直徑。"

當演示器通過所有測試後,真正的挑戰才開始。只有到那時,開發商才希望將氫氣罐的製造產業化,並生產直徑為5.40米的全尺寸氫氣罐。航天工程師不想早早地投入到這個層面,這有一個務實的背景:所有Phoebus組件都要在位於Lampoldshausen的德國宇航中心的火箭試驗台上進行全面的系列測試。研究人員解釋說:"這就是為什麼我們最初將自己限制在可以在奧格斯堡、不萊梅和蘭波德豪森之間輕鬆運輸的部件上。"

基礎開發將在2023年底前完成。屆時,不萊梅的專家們也希望能澄清剩餘的未決問題。正如目前阿麗亞娜5號的末級和新的阿麗亞娜6號的末級一樣,仍然是經典的金屬結構,"黑色末級"也將承擔有效載荷的重量,並引導其進入火箭的結構。在這裡,碳也是設計師的首選材料。除了由纖維複合材料製成的主支架外,由蜂窩狀結構組成的末級包層將承擔載荷。

這些單個元素的細節是什麼,以及它們如何相互作用,將是2025年開始的第二個項目階段的主題。三年後,黑色末級的系列生產就可以開始了。"在此之前,我們肯定會面臨許多挑戰,"研究人員深信不疑,"但考慮到好處,這種努力絕對是值得的。"

關鍵字: