Tanque Tipo V Todo-Composto do NCC Define Novo Padrão para Propulsão Espacial Leve

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

Objetivos do Projeto SpaceTank

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 focou no desenvolvimento de uma nova solução de fabricação para tanques que contenham propelentes criogênicos.

Contexto da Indústria e Posicionamento do Reino Unido

A indústria espacial reconhece o papel crítico dos materiais compósitos no espaço, com algumas empresas já explorando seu uso no design de tanques espaciais. Por exemplo, a Virgin Orbit (Long Beach, Califórnia, EUA) e a RocketLab (Auckland, Nova Zelândia) desenvolveram e demonstraram tanques compósitos como alternativas ao metal para os foguetes Launcher One e Electron, respectivamente. Na Austrália, a Omni Tanker (Smeaton Grange) e parceiros buscam desenvolver e comercializar um tanque de hidrogênio líquido (LH₂) sem revestimento compósito, 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 inovador. O projeto SpaceTank do NCC deve nivelar o Reino Unido como um player-chave neste campo.

Especificações do Demonstrador

O demonstrador SpaceTank do NCC criado tem 750 milímetros de comprimento, diâmetro de 450 milímetros e capacidade de armazenamento de fluido de mais de 96 litros. Foi projetado e fabricado com 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 compósito de fibra de carbono compreende 8 quilogramas de massa de material, mas, segundo o NCC, como em todas as estruturas projetadas, há mais oportunidades com o SpaceTank para otimizar ainda mais esta redução de peso. Além disso, a classificação de pressão do SpaceTank do NCC pode ser aumentada com o uso de fibras de carbono de maior resistência e aumentando a espessura do compósito. Alternativamente, o SpaceTank poderia ser otimizado para peso e custo para aplicações de pressão muito mais baixa usando um material compósito mais fino e de menor rigidez.

Inovação em Ferramentas e Processo de Fabricação

Durante o projeto SpaceTank, a equipe do NCC desenvolveu um método inovador para incluir as portas de válvula de fluido metálicas na ferramenta lavável, eliminando a necessidade de quaisquer operações secundárias de montagem e colagem necessárias para o produto final. Essas portas de válvula de fluido foram mantidas na ferramenta inovadora, permitindo que fossem co-curadas com a fibra de carbono durante a etapa final do processo de fabricação.

O corpo principal do tanque usa pré-impregnado de fibra de carbono epóxi MTC510 fornecido pela SHD Composites (Mooresville, Carolina do Norte, EUA) em largura de fita de 300 milímetros. O MTC510 é um sistema de resina epóxi especificamente projetado para curar entre 80°C e 120°C e é endurecido para aumentar sua tolerância a danos.

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

A fita cortada foi depositada na ferramenta lavável usando a operação de enrolamento filamentoso tensionado do sistema AFP Coriolis. Uma combinação de enrolamento helicoidal e circunferencial projetada pelos engenheiros do NCC usando o software de enrolamento filamentoso Cadwind (Bruxelas, Bélgica) da Materials foi usada para depositar mais de 24 camadas do material até uma espessura nominal de 5,5 milímetros. A espessura e direção/ângulo de enrolamento usados aqui foram apenas para demonstração; é possível que o NCC aumente ou diminua a espessura da parede compósita e altere o ângulo de enrolamento e estrutura de camadas para otimizar totalmente o tanque para um requisito específico de pressão ou carga.

Imediatamente após a deposição do material, o SpaceTank do NCC foi inspecionado quanto a defeitos e variação de espessura. Foi então curado em autoclave a 100°C e re-inspecionado depois. Ultrassom C-Scan e termografia, técnicas de ensaio não destrutivo (END), foram usados após a cura, e esses métodos comparados e contrastados para adequação na inspeção de futuros tanques quanto a defeitos como delaminação e porosidade. Finalmente, após completar a avaliação de qualidade END, o núcleo de ferramenta interno foi lavado com água fria pressurizada para deixar a cavidade interna do tanque vazia.

Desenvolvimento de Ferramenta Solúvel em Água

Segundo o NCC, a técnica de ferramenta para o SpaceTank sem revestimento provou ser 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 finalizada apresenta um núcleo masculino centralizado com espessura de parede nominal de 30 milímetros que é fundido em duas partes e depois colado. A ferramenta tem três anéis de rigidez internos (laváveis) que foram projetados e fabricados para ajudar a suportar a carga de torção esperada durante a deposição compósita automatizada e a pressão exercida durante a cura em autoclave.

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

Impacto na Economia Espacial do Reino Unido

Atividades futuras de pesquisa nesta área também apoiarão 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 para a UK Space Agency também destacou que mais de 3.000 empregos foram criados dentro do setor espacial do Reino Unido nos últimos dois anos (2019-2021).