Tangki Tipe V semua-komposit NCC mendemonstrasikan teknologi tangki ruang angkasa komposit masa depan
Pusat Komposit Nasional (NCC, Bristol, Inggris), dengan panduan industri dari produsen kedirgantaraan Thales Alenia Space (Cannes, Prancis), telah memproduksi demonstran tangki tanpa liner (Tipe V) semua-komposit di bawah proyek SpaceTank. Dikatakan mewakili yang digunakan untuk kendaraan peluncuran dan tangki propelan satelit, memberikan perkiraan penghematan berat 30% dibandingkan dengan tangki propelan logam konvensional yang digunakan saat ini. NCC telah menunjukkan ini untuk menarik minat Inggris dalam pembuatan tangki komposit untuk kebutuhan propulsi ruang angkasa di masa depan. Menurut NCC, proyek pameran ini menunjukkan bagaimana teknologi komposit canggih dapat memainkan peran penting pada struktur rekayasa masa depan dalam propulsi ruang angkasa dengan mengurangi berat struktural tangki dan menurunkan biaya peluncuran satelit (unduh PDF studi kasus).
Tujuan keseluruhan proyek SpaceTank adalah untuk mengembangkan alat penelitian dan pengembangan berbasis di Inggris yang diperlukan untuk pembuatan dan inspeksi bejana tekan kriogenik. Lebih khusus lagi, proyek satu tahun berfokus pada pengembangan solusi manufaktur baru untuk tangki untuk menampung propelan kriogenik.
Industri luar angkasa mengakui peran penting material komposit di luar angkasa, dengan beberapa perusahaan telah mengeksplorasi penggunaannya dalam desain tangki luar angkasa. Misalnya, Virgin Orbit (Long Beach, California, AS) dan RocketLab (Auckland, Selandia Baru) telah mengembangkan dan mendemonstrasikan tangki komposit sebagai alternatif pengganti logam untuk Launcher One dan Elektron roket masing-masing. Di Australia, Omni Tanker (Smeaton Grange) dan mitranya berusaha mengembangkan dan mengkomersialkan tangki hidrogen cair tanpa liner komposit (LH2 ), dan lebih dekat ke rumah di Eropa, MT Aerospace (Augsburg, Jerman) sedang mengembangkan bahan dan metode manufaktur dan menjalani tes untuk tangki bahan bakar roket baru. Proyek NCC SpaceTank diharapkan meningkatkan Inggris sebagai pemain kunci di bidang ini.
Demonstran NCC SpaceTank yang dibuat memiliki panjang 750 milimeter, memiliki diameter 450 milimeter dan kapasitas penyimpanan cairan lebih dari 96 liter. Ini telah dirancang dan diproduksi dengan ketebalan dinding nominal 4,0-5,5 milimeter, yang memungkinkan tangki menahan 85 bar propelan bertekanan. Badan utama komposit serat karbon terdiri dari 8 kilogram massa material, tetapi menurut NCC, seperti halnya semua struktur yang direkayasa, ada peluang lebih lanjut dengan SpaceTank untuk mengoptimalkan pengurangan berat ini lebih lanjut. Selain itu, peringkat tekanan NCC SpaceTank dapat ditingkatkan dengan penggunaan serat karbon berkekuatan lebih tinggi dan dengan meningkatkan ketebalan komposit. Sebagai alternatif, SpaceTank dapat dioptimalkan untuk bobot dan biaya untuk aplikasi tekanan yang jauh lebih rendah dengan menggunakan material komposit yang lebih tipis dan kaku.
Selama proyek SpaceTank, tim NCC mengembangkan metode inovatif untuk memasukkan port katup cairan logam ke alat yang dapat dicuci, untuk menghilangkan kebutuhan akan operasi perakitan dan pengikatan sekunder yang diperlukan untuk produk akhir. Port katup fluida ini ditahan di perkakas baru, memungkinkannya untuk direkatkan bersama ke serat karbon selama tahap akhir proses manufaktur.
Tubuh utama tangki menggunakan prepreg serat karbon epoksi MTC510 yang dipasok oleh SHD Composites (Mooresville, N.C., AS) dalam lebar pita 300 milimeter. MTC510 adalah sistem resin epoksi yang dirancang khusus untuk menyembuhkan antara 80°C dan 120°C dan dikeraskan untuk meningkatkan toleransi kerusakannya.
Bahan ini disiapkan untuk proses pembuatan SpaceTank oleh Bindatex (Bolton, UK), yang juga melakukan pemotongan pita presisi lebar sempit dan mengembalikan 22.000 meter (sekitar 72.178 kaki) bahan dalam format 6,35 milimeter yang disiapkan sesuai dengan Persyaratan NCC untuk digunakan dalam sel manufaktur penempatan serat otomatis (AFP) Coriolis (Queven, Prancis).
Pita celah disimpan ke perkakas yang dapat dicuci menggunakan operasi penggulungan filamen yang dikencangkan dari sistem Coriolis AFP. Kombinasi gulungan heliks dan lingkaran yang dirancang oleh para insinyur NCC menggunakan perangkat lunak penggulungan filamen Cadwind (Brussels, Belgia) Material digunakan untuk menyimpan lebih dari 24 lapisan material dengan ketebalan nominal 5,5 milimeter. Ketebalan dan arah/sudut belitan yang digunakan di sini hanya untuk demonstrasi; mungkin bagi NCC untuk menambah atau mengurangi ketebalan dinding komposit dan mengubah sudut belitan dan struktur lapisan untuk mengoptimalkan tangki sepenuhnya untuk kebutuhan tekanan atau pembebanan tertentu.
Segera setelah deposisi material, NCC SpaceTank diperiksa untuk cacat dan variasi ketebalan. Itu kemudian autoclave disembuhkan pada 100 ° C dan diperiksa kembali setelah itu. Teknik pemeriksaan Ultrasonic C-Scanning dan termografi non-destructive test (NDT) digunakan setelah proses curing, dan metode ini dibandingkan dan dikontraskan untuk kesesuaian pemeriksaan tangki masa depan untuk cacat seperti delaminasi dan porositas. Akhirnya, setelah menyelesaikan penilaian kualitas NDT, inti perkakas internal dicuci dengan air dingin bertekanan untuk membiarkan rongga tangki bagian dalam kosong.
Menurut NCC, teknik perkakas untuk SpaceTank tanpa liner terbukti sulit, yang mengarah pada pengembangan proses pengecoran dalam kemitraan dengan AeroConsultants (Huntingdon, Inggris) menggunakan bahan inti perusahaan yang larut dalam air Aqua. Alat yang telah selesai menampilkan inti jantan terpusat dengan ketebalan dinding nominal 30 milimeter yang dicetak dalam dua bagian dan kemudian direkatkan. Alat ini memiliki tiga cincin pengaku internal (yang dapat dicuci) yang dirancang dan dibuat untuk membantu menahan beban puntir yang diharapkan selama layup komposit otomatis dan tekanan yang diberikan selama perawatan autoklaf.
Demonstrasi oleh NCC ini sekarang menyediakan landasan penelitian di Inggris untuk pengembangan tangki propelan di masa depan dan membantu mendukung rantai pasokan Inggris yang baru untuk komponen dan peralatan canggih untuk pembuatan tangki komposit.
Kegiatan penelitian masa depan di bidang ini juga dilaporkan akan mendukung peningkatan 5% pangsa Inggris dari ekonomi ruang angkasa global. Sebuah laporan dari pemerintah Inggris pada Mei 2021 menunjukkan bahwa pendapatan industri luar angkasa 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 di sektor luar angkasa Inggris selama dua tahun terakhir (2019-2021).
