O tanque totalmente composto do NCC Tipo V demonstra a futura tecnologia de tanques espaciais compostos

O National Composites Center (NCC, Bristol, Reino Unido), com orientação da indústria do fabricante aeroespacial Thales Alenia Space (Cannes, França), fabricou um demonstrador de tanque sem revestimento totalmente composto (Tipo V) sob o projeto SpaceTank. Diz-se que é representativo daqueles usados ​​para veículos de lançamento e tanques de propelente de satélite, proporcionando uma economia de peso estimada de 30% em comparação com os tanques de propelente metálicos convencionais em uso atualmente. O NCC demonstrou isso para atrair o interesse do Reino Unido na fabricação de tanques compostos para futuras necessidades de propulsão espacial. De acordo com o NCC, este projeto de demonstração demonstra como a tecnologia avançada de compósitos pode desempenhar um papel vital em futuras estruturas projetadas na propulsão espacial, reduzindo o peso estrutural do tanque e diminuindo os custos de lançamento de satélite (baixe o PDF do estudo de caso).

O objetivo geral do projeto SpaceTank era desenvolver ferramentas de pesquisa e desenvolvimento baseadas no Reino Unido, necessárias para a fabricação e inspeção de vasos de pressão criogênicos. Mais especificamente, o projeto de um ano se concentrou no desenvolvimento de uma nova solução de fabricação de tanques para conter propelentes criogênicos.

A indústria espacial reconhece o papel crítico dos materiais compostos no espaço, com algumas empresas já explorando seu uso no projeto de tanques espaciais. Por exemplo, Virgin Orbit (Long Beach, Califórnia, EUA) e RocketLab (Auckland, Nova Zelândia) desenvolveram e demonstraram tanques compostos como alternativas ao metal para o Launcher One e Elétron foguetes respectivamente. Na Austrália, Omni Tanker (Smeaton Grange) e parceiros estão buscando desenvolver e comercializar um tanque de hidrogênio líquido sem revestimento composto (LH ₂ ), e mais perto de casa na Europa, a MT Aerospace (Augsburg, Alemanha) está desenvolvendo materiais e métodos de fabricação e passando por testes para um novo tanque de combustível de foguete. O projeto NCC SpaceTank deve nivelar o Reino Unido como um jogador-chave neste campo.

O demonstrador NCC SpaceTank criado tem 750 milímetros de comprimento, tem um diâmetro de 450 milímetros e uma capacidade de armazenamento de fluido de mais de 96 litros. Ele foi projetado e fabricado com uma espessura de parede nominal de 4,0-5,5 milímetros, o que permite que o tanque suporte 85 bar de propelente pressurizado. O corpo principal de composto de fibra de carbono compreende 8 quilogramas de massa de material, mas de acordo com o NCC, como acontece com todas as estruturas projetadas, existem outras oportunidades com o SpaceTank para otimizar ainda mais essa redução de peso. Além disso, a classificação de pressão do NCC SpaceTank pode ser aumentada com o uso de fibras de carbono de maior resistência e aumentando a espessura do compósito. Alternativamente, o SpaceTank pode ser otimizado para peso e custo para aplicações de pressão muito mais baixa, usando um material composto mais fino e de menor rigidez.

Durante o projeto SpaceTank, a equipe da NCC desenvolveu um método inovador para incluir as portas da válvula de fluido de metal na ferramenta lavável, para remover a necessidade de qualquer montagem secundária e operações de colagem necessárias para o produto final. Essas portas de válvula de fluido eram mantidas no novo ferramental, permitindo que fossem co-ligadas à fibra de carbono durante o último estágio do processo de fabricação.

O corpo principal do tanque usa prepreg de fibra de carbono epóxi MTC510 fornecido pela SHD Composites (Mooresville, N.C., U.S.) em uma largura de fita de 300 milímetros. MTC510 é um sistema de resina epóxi projetado especificamente para curar entre 80 ° C e 120 ° C e é temperado para aumentar sua tolerância a danos.

Este material foi preparado para o processo de fabricação do SpaceTank pela Bindatex (Bolton, Reino Unido), que também executou o corte de precisão de largura estreita da fita e retornou 22.000 metros (aproximadamente 72.178 pés) do material em um formato de 6,35 milímetros preparado de acordo com o Requisito da NCC para uso em sua célula de fabricação de colocação automática de fibra (AFP) Coriolis (Queven, França).

A fita cortada foi depositada na ferramenta lavável usando a operação de enrolamento de filamento tensionado do sistema Coriolis AFP. Uma combinação de enrolamento helicoidal e de aro projetada pelos engenheiros da NCC usando o software de enrolamento de filamento Cadwind da Material (Bruxelas, Bélgica) foi usada para depositar mais de 24 camadas do material com uma espessura nominal de 5,5 milímetros. A espessura e a direção / ângulo do enrolamento usados ​​aqui foram apenas para demonstração; é possível para o NCC aumentar ou diminuir a espessura da parede composta e alterar o ângulo de enrolamento e a estrutura da lona para otimizar totalmente o tanque para uma pressão específica ou requisito de carga.

Imediatamente após a deposição do material, o NCC SpaceTank foi inspecionado quanto a defeitos e variação de espessura. Foi então curado em autoclave a 100 ° C e reinspecionado posteriormente. As técnicas de inspeção ultrassônica C-Scanning e termografia não destrutiva (NDT) foram usadas após a cura, e esses métodos foram comparados e contrastados para adequação de inspeção de tanques futuros em busca de defeitos como delaminação e porosidade. Finalmente, após completar a avaliação de qualidade NDT, o núcleo interno da ferramenta foi lavado com água fria pressurizada para deixar a cavidade interna do tanque vazia.

De acordo com o NCC, a técnica de usinagem para o SpaceTank sem liner se mostrou difícil, o que levou ao desenvolvimento de um processo de fundição em parceria com a AeroConsultants (Huntingdon, Reino Unido) usando o material de núcleo solúvel em água Aqua da empresa. A ferramenta acabada apresenta um núcleo macho centralizado com uma espessura de parede nominal de 30 milímetros que é fundido em duas partes e então ligado. A ferramenta possui três anéis de reforço internos (laváveis) que foram projetados e fabricados para ajudar a suportar a carga de torção esperada durante a colocação automática do composto e a pressão exercida durante a cura da autoclave.

Esta demonstração do NCC agora fornece uma base de pesquisa no Reino Unido para o futuro desenvolvimento de tanques de propelente e ajuda a apoiar uma nova cadeia de suprimentos do Reino Unido para componentes e equipamentos de última geração para a fabricação de tanques compostos.

A atividade de pesquisa futura nesta área também apoiará o aumento da participação de 5% do Reino Unido na economia espacial global. Um relatório do governo do Reino Unido em maio de 2021 mostrou que a receita da indústria espacial do Reino Unido aumentou de £ 14,8 bilhões em 2016/2017 para £ 16,4 bilhões em 2018/2019. O relatório resumido da Agência Espacial do Reino Unido também destacou que mais de 3.000 empregos foram criados no setor espacial do Reino Unido nos últimos dois anos (2019-2021).