Módulo CFRP economiza peso no projeto do foguete

“Ambicioso” pode ser uma caracterização discreta quando se trata dos objetivos da indústria espacial para reduzir o custo do transporte espacial. Um caso em questão, a Administração Nacional Atmosférica e Espacial dos EUA (NASA, Washington, DC) relata que um de seus objetivos é reduzir o custo de colocar uma carga útil na órbita da Terra de $ 10.000 / libra hoje para centenas de dólares por libra em 25 anos, e dezenas de dólares por libra em 40 anos. Do outro lado do Atlântico, os objetivos também são elevados:a Agência Espacial Europeia (ESA, Paris, França), por exemplo, declarou sua intenção para o Ariane 6 foguete para igualar ou superar o custo de carga útil por quilograma do SpaceX (Hawthorne, CA, EUA) Falcon 9 , estimado em menos de $ 7.500 / kg para órbita de transferência geosíncrona (onde reside a maioria dos satélites) e menos de $ 3.000 / kg para órbita terrestre baixa.

Não deveria ser surpresa, então, que a redução de peso estrutural de foguetes esteja sendo buscada por várias organizações da indústria espacial, ou que materiais compostos sejam apresentados em tais esforços. O sucesso nessas buscas depende inicialmente de encontrar maneiras de atingir as metas de redução de peso e, ao mesmo tempo, cumprir os padrões já estabelecidos para os componentes metálicos básicos, incluindo a geometria da peça e propriedades termo-mecânicas.

Felizmente, tais restrições não impediram a cadeira de Compostos de Carbono da Universidade Técnica de Munique (TUM, Munique, Alemanha) de exceder as estimativas iniciais de uma possível redução de peso de 30% do módulo de carga científica de um foguete de pesquisa. Na verdade, o primeiro módulo de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP), que TUM projetou e construiu no programa de Experimentos de Foguete para Estudantes Universitários (REXUS), alcançou redução de peso superior a 40%, relata Ralf Engelhardt, pesquisador associado na cadeira de Compostos de Carbono. Essa redução de peso produz inúmeras opções de economia de custos para a missão:cargas úteis mais pesadas, apogeus mais elevados ou consumo de combustível reduzido.

Projetando dentro das condições de limite

O módulo de foguete da TUM compreende uma seção do foguete de pesquisa REXUS, que é financiado pelo Centro Aeroespacial Alemão (DLR, Colônia, Alemanha), a Agência Espacial Nacional Sueca (SNSA, Estocolmo, Suécia) e a ESA, e financia projetos universitários em toda a Europa . Os foguetes de pesquisa REXUS são lançados duas vezes por ano para permitir a experimentação da universidade durante o vôo suborbital. Eles voam a uma altura máxima de 80-100 km, com uma velocidade vertical máxima de cerca de 1.200 m / se aceleração máxima de cerca de 20G. A estrutura básica dos módulos de carga útil científica é de alumínio, com diâmetro externo de 356 mm e comprimento de 300 mm. O módulo TUM CFRP foi projetado para REXUS Mission 23, para o qual a data de lançamento atual esperada é o início de 2019.

Embora o programa REXUS normalmente apóie projetos científicos universitários conduzidos internamente os módulos de carga científica, o projeto TUM é único, pois o assunto do experimento é o módulo composto em si - seu projeto, fabricação, desempenho e qualificação para o vôo. “Nosso objetivo principal era substituir o alumínio por CFRP, o que não é uma missão típica”, enfatiza Engelhardt.

O módulo consiste em um invólucro de CFRP cilíndrico - 356 mm de diâmetro e 300 mm de comprimento, como o alumínio original - e dois anéis de entrada de carga radial-axial (radax) termoplásticos, um macho e um fêmea, que fornecem conexão por parafuso aos módulos adjacentes . O projeto CFRP foi criado para atender a requisitos específicos de propriedades geométricas e termo-mecânicas, necessárias porque o módulo deve funcionar de acordo com padrões consistentes com o resto do foguete. Por causa disso, a geometria do módulo foi predefinida, incluindo um requisito para corresponder à espessura da parede da versão de alumínio. O módulo também teve que atingir a mesma rigidez da versão de alumínio. Os recursos do módulo menos flexíveis são a geometria e as propriedades mecânicas dos anéis de entrada de carga do módulo, que devem manter a posição e integridade em relação aos módulos aos quais estão fixados.

O módulo TUM é feito de um material de fibra de carbono / polieteretercetona (PEEK), selecionado por seu alto desempenho mecânico e térmico, bem como por sua maior resistência específica e rigidez em relação ao alumínio. Na montagem final, uma camada de cortiça é colada à concha para fornecer isolamento térmico. Além da redução de peso esperada de 30%, a TUM também buscou uma abordagem de fabricação eficiente. O projeto inicial inclui um conceito de fabricação no qual os anéis radax são formados por prensagem de grânulos termoplásticos de fibra longa (LFT), desmoldados e preparados para integração; em seguida, o módulo completo é colocado usando a colocação automática de fibra termoplástica com consolidação in-situ (TP-AFP).

Claro, com o próprio módulo servindo como o “experimento” primário, o TUM teve a oportunidade de carregar o equipamento necessário para experimentos secundários dentro do módulo. A equipe optou por medir as temperaturas internas à estrutura composta usando sensores de fibra ótica embutidos (FOS). Engelhardt explica que os FOS foram escolhidos em vez dos termopares porque seu diâmetro fino e forma fibrosa resultam na redução mínima do desempenho mecânico do invólucro CFRP e porque os sinais ópticos não são propensos a perturbações nos campos eletromagnéticos que o foguete encontra. Quatro FOS - especificamente, sensores de rede de Bragg de fibra encapsulada (FBG) - são incorporados durante a fabricação TP-AFP em diferentes posições e profundidades dentro do laminado e, posteriormente, são conectados a um sistema de medição dentro do módulo que opera os sensores. O sistema de medição coleta e gerencia os dados e fornece um downlink para a estação terrestre.

Processo de fabricação em duas etapas

Para fabricar o módulo, a equipe TUM primeiro forma os anéis. Os grânulos PEEK 450CA30 LFT da Victrex plc (Lancashire, Reino Unido) (contendo fibra de carbono em comprimentos de 2-3 mm) são moldados por prensagem em moldes em forma de anel. A prensa é aquecida a 390˚C, compactada em níveis crescentes de força (50-200 kN), depois resfriada e desmoldada a 100˚C.

O invólucro é feito de Teijin (Tóquio, Japão) Tenax fibra de carbono unidirecional / fita PEEK prepreg em equipamento TP-AFP da AFPT GmbH (Doerth, Alemanha). O processo TP-AFP permite a consolidação in-situ da fita termoplástica em temperatura ambiente nos anéis de entrada de carga CFRP. Nenhuma consolidação em autoclave é necessária, e a consolidação nos anéis fabricados anteriormente elimina a necessidade de fixadores mecânicos ou adesivos adicionais. Engelhardt está satisfeito com o resultado desse processo de duas etapas. “Esta é uma nova combinação”, observa ele. “É sempre um desafio realizar a consolidação in-situ com fita termoplástica, mas aqui, colocamos com sucesso a fita em anéis grossos e monolíticos.”

Engelhardt também está satisfeito com a integração do FOS, que foi um novo desafio técnico. TUM tinha experiência no emprego de FOS em resina pura, mas não em um laminado composto, e não no uso de um processo AFP termoplástico. A equipe superou este desafio e alcançou desempenho de qualificação de vôo.

Finalmente, o módulo incorpora uma antepara separada, que serve como uma placa de montagem para dispositivos de medição. A antepara é termoformada em sua forma de cúpula a partir de uma folha orgânica plana composta do mesmo material de fibra de carbono / PEEK que o cilindro do módulo.

Design para qualificação

Para alcançar a qualificação de vôo, a TUM avançou este projeto por meio de um processo completo de teste, simulação e avaliação. Primeiro, os materiais foram caracterizados no nível do cupom à temperatura ambiente e a uma temperatura máxima de serviço de 135˚C. O teste de subcomponente ajudou a garantir um desempenho de cisalhamento interlaminar aceitável da interface entre os anéis e a casca, bem como a resistência de arrancamento adequada dos fixadores usados ​​para conectar os módulos do foguete. Os dados do teste inicial forneceram dados para simulação e design.

A análise estrutural de elementos finitos ajudou a equipe a otimizar a configuração do laminado. O resultado para o cilindro é uma disposição simétrica de 34 camadas (0˚ / ± 15˚ / ± 45˚ / 90˚). Após a fabricação do módulo, a TUM conduziu testes em grande escala. Para atender às cargas de qualificação de vôo, o módulo foi submetido a testes de vibração de 0-300 Hz a um nível de frequência de 0,083 g ² / Hz. Ele também foi submetido a um teste de flexão, que demonstrou desempenho bem-sucedido sob a carga de qualificação de 14 kNm.

Mais melhorias virão

A missão REXUS 23 foi originalmente programada para março de 2018, mas foi adiada devido a dificuldades durante uma missão REXUS anterior. O lançamento agora está programado para o final de fevereiro ou início de março de 2019 em Kiruna, Suécia. A equipe TUM aproveitou o tempo adicional construindo um segundo módulo e testando / qualificando-o no outono passado. Nesta nova unidade, em vez de prensar os anéis de entrada de carga, a equipe teve os anéis fundidos por centrifugação pela Elekem Ltd. (Lancashire, Reino Unido). As matérias-primas são as mesmas, diz Engelhardt, e o módulo original com os anéis moldados por prensagem atendia a todas as qualificações de vôo. Mas o novo módulo avança o desempenho do anel de um nível aceitável para mais perto de um nível ideal. “O processo de conformação por prensagem ainda precisa de alguma otimização”, diz Engelhardt, “mas é muito promissor”.

Um objetivo futuro, relata Engelhardt, e o motivo pelo qual o TUM retornará à conformação por prensagem no futuro, é fazer os anéis com material de sucata do processo AFP. “Vamos pegar recortes e restos de material em um rolo, triturá-lo e usar esses pequenos pedaços para prensar os anéis”, explica ele. Com dados e experiência limitados relacionados a este processo de reciclagem, a TUM não foi capaz de implementá-lo dentro das restrições de tempo e orçamento de seu trabalho da Missão 23. A esperança é construir e qualificar os anéis feitos de material reciclado para um vôo espacial em um futuro próximo.

Assim que a missão for concluída, o TUM usará os dados do FOS para desenvolver uma imagem mais detalhada das cargas térmicas no módulo durante o vôo. Esse conhecimento pode levar a modificações na escolha do material, bem como no design e dimensionamento do módulo. “Simulações térmicas foram realizadas com base em medições anteriores, mas em breve teremos dados reais”, ressalta Engelhardt. “Podemos descobrir que não precisamos ter a temperatura de transição vítrea PEEK (T _g ) de 143˚C ”, ilustra. “Um T _g inferior significa que possivelmente poderíamos usar um polímero mais barato. ”

Tanto um polímero menos caro quanto o uso de materiais reciclados contribuirão para o objetivo geral da indústria espacial de diminuir o custo do transporte espacial em ordens de magnitude. Mas a maior contribuição do esforço REXUS da TUM, sem dúvida, é a redução de peso de 40% já alcançada.