Tangki Tipe V Komposit Murni NCC Standar Baru untuk Penggerak Antariksa Ringan

Pusat Komposit Nasional (NCC, Bristol, Inggris), dengan bimbingan industri dari produsen penerbangan Thales Alenia Space (Cannes, Prancis), telah memproduksi demonstrator tangki komposit murni (Tipe V) tanpa liner di bawah proyek SpaceTank. Dikatakan mewakili tangki yang digunakan untuk tangki bahan bakar peluncur dan satelit, memberikan penghematan berat estimasi 30% dibandingkan tangki bahan bakar logam konvensional yang saat ini digunakan. NCC telah menunjukkan ini untuk melibatkan minat Inggris dalam manufaktur tangki komposit untuk kebutuhan penggerak antariksa masa depan. Menurut NCC, proyek showcase ini menunjukkan bagaimana teknologi komposit canggih dapat memainkan peran vital dalam struktur terprabangun di masa depan untuk penggerak antariksa dengan mengurangi bobot struktural tangki dan menurunkan biaya peluncuran satelit (unduh PDF studi kasus).

Tujuan keseluruhan proyek SpaceTank adalah mengembangkan alat penelitian dan pengembangan berbasis Inggris yang diperlukan untuk manufaktur dan inspeksi wadah tekan kriogenik. Lebih spesifik lagi, proyek satu tahun ini difokuskan pada mengembangkan solusi manufaktur baru untuk tangki yang menyimpan bahan bakar kriogenik.

Industri antariksa mengakui peran krusial bahan komposit di antariksa, dengan beberapa perusahaan sudah menjelajahi penggunaannya dalam desain tangki antariksa. Sebagai contoh, Virgin Orbit (Long Beach, California, AS) dan RocketLab (Auckland, Selandia Baru) keduanya telah mengembangkan dan menunjukkan tangki komposit sebagai alternatif logam untuk roket Launcher One dan Electron masing-masing. Di Australia, Omni Tanker (Smeaton Grange) dan mitra berusaha mengembangkan dan mengkomersialkan tangki hidrogen cair (LH2) komposit tanpa liner, dan lebih dekat ke rumah di Eropa, MT Aerospace (Augsburg, Jerman) mengembangkan bahan dan metode manufaktur serta melakukan uji untuk tangki bahan bakar roket inovatif baru. Proyek NCC SpaceTank diharapkan meningkatkan Inggris sebagai pemain utama di bidang ini.

Demonstrator NCC SpaceTank yang dibuat panjangnya 750 milimeter, memiliki diameter 450 milimeter dan kapasitas penyimpanan fluida lebih dari 96 liter. Ini telah dirancang dan diproduksi dengan tebal dinding nominal 4,0-5,5 milimeter, yang memungkinkan tangki menahan bahan bakar tekanan 85 bar. Badan utama komposit serat karbon terdiri dari 8 kilogram massa bahan, tetapi menurut NCC, seperti semua struktur terprabangun, ada peluang lebih lanjut dengan SpaceTank untuk mengoptimalkan pengurangan berat ini. Selain itu, peringkat tekanan NCC SpaceTank dapat ditingkatkan dengan penggunaan serat karbon yang lebih kuat dan dengan meningkatkan tebal komposit. Alternatifnya, SpaceTank dapat dioptimalkan untuk berat dan biaya untuk aplikasi tekanan yang jauh lebih rendah dengan menggunakan bahan komposit yang lebih tipis dan lebih rendah kekakuan.

Selama proyek SpaceTank, tim NCC mengembangkan metode inovatif untuk menyertakan port klep fluida logam ke cetakan yang dapat dicuci, untuk menghilangkan kebutuhan operasi pengikatan sekunder dan pengikatan yang diperlukan untuk produk akhir. Port klep fluida ini dipertahankan dalam cetakan inovatif, memungkinkan mereka untuk diikat bersama dengan serat karbon selama tahap akhir proses manufaktur.

Badan utama tangki menggunakan prepreg serat karbon epoksi MTC510 yang disuplai oleh SHD Composites (Mooresville, Carolina Utara, AS) dalam lebar pita 300 milimeter. MTC510 adalah sistem resin epoksi yang dirancang khusus untuk mengkuras antara 80°C dan 120°C dan dipegang untuk meningkatkan toleransi kerusakan.

Bahan ini disiapkan untuk proses manufaktur SpaceTank oleh Bindatex (Bolton, Inggris), yang juga melakukan pemotongan presisi lebar sempit pita dan mengembalikan 22.000 meter (sekitar 72.178 kaki) bahan dalam format 6,35 milimeter yang disiapkan sesuai dengan persyaratan NCC untuk digunakan di sel manufaktur penempatan serat otomatis (AFP) Coriolis (Queven, Prancis).

Pita yang telah dipotong disetorkan pada cetakan yang dapat dicuci menggunakan operasi gulungan filamen tegangan sistem AFP Coriolis. Kombinasi gulungan heliks dan lingkaran yang dirancang oleh insinyur NCC menggunakan perangkat lunak gulungan filamen Material's Cadwind (Brussels, Belgia) digunakan untuk menyetorkan lebih dari 24 lapis bahan dengan tebal nominal 5,5 milimeter. Tebal dan arah/sudut gulungan yang digunakan di sini adalah untuk demonstrasi saja; NCC dapat meningkatkan atau mengurangi tebal dinding komposit dan mengubah sudut gulungan serta struktur lapis untuk mengoptimalkan tangki sepenuhnya untuk persyaratan tekanan atau beban tertentu.

Segera setelah penyetoran bahan, NCC SpaceTank diperiksa untuk cacat dan variasi tebal. Kemudian dikuras di autoclave pada 100°C dan diperiksa lagi setelahnya. Teknik inspeksi non-destruktif (NDT) pemindaian C ultrasonik dan termografi digunakan setelah kuras, dan metode ini dibandingkan dan dikontras untuk kesesuaian dalam memeriksa tangki masa depan untuk cacat seperti delaminasi dan porositas. Terakhir, setelah menyelesaikan penilaian kualitas NDT, inti cetakan internal dicuci dengan air dingin bertekanan untuk meninggalkan ruang dalam tangki kosong.

Menurut NCC, teknik cetakan untuk SpaceTank tanpa liner terbukti sulit, yang mengarah pada pengembangan proses cetakan dalam kemitraan dengan AeroConsultants (Huntingdon, Inggris) menggunakan bahan inti larut air Aqua perusahaan. Cetakan selesai memiliki inti machos terpusat dengan tebal dinding nominal 30 milimeter yang dicetak dalam dua bagian dan kemudian dikait. Cetakan memiliki tiga cincin penguat internal yang dapat dicuci yang dirancang dan diproduksi untuk membantu menahan beban torsi yang diharapkan selama penataan komposit otomatis dan tekanan yang diberikan selama kuring autoclave.

Demonstrasi ini oleh NCC kini memberikan fondasi penelitian di Inggris untuk pengembangan tangki bahan bakar masa depan dan membantu mendukung rantai pasok Inggris baru untuk komponen dan peralatan terkini untuk manufaktur tangki komposit.

Aktivitas penelitian masa depan di bidang ini juga dilaporkan akan mendukung peningkatan porsi Inggris 5% dari ekonomi antariksa global. Laporan dari pemerintah Inggris pada Mei 2021 menunjukkan bahwa pendapatan industri antariksa Inggris meningkat dari £14,8 miliar pada 2016/2017 menjadi £16,4 miliar pada 2018/2019. Laporan ringkasan untuk Badan Antariksa Inggris juga menyoroti bahwa lebih dari 3.000 pekerjaan telah diciptakan dalam sektor antariksa Inggris selama dua tahun terakhir (2019-2021).