Modul CFRP Canggih Berat Roket Lebih Ringan, Meningkatkan Efisiensi Peluncuran
"Ambisius" mungkin merupakan karakterisasi yang terlalu rendah ketika berkaitan dengan tujuan industri angkasa untuk mengurangi biaya transportasi angkasa. Sebagai contoh, Badan Nasional Atmosfer dan Angkasa Amerika Serikat (NASA, Washington, DC) melaporkan bahwa salah satu tujuannya adalah mengurangi biaya memuat beban ke orbit Bumi dari $10.000/lb saat ini menjadi ratusan dolar per pound dalam 25 tahun, dan puluhan dolar per pound dalam 40 tahun. Di seberang Atlantik, tujuannya juga tinggi: misalnya, Badan Angkasa Eropa (ESA, Paris, Prancis) telah menyatakan niatnya untuk roket Ariane 6 untuk menandingi atau mengalahkan biaya beban per kilogram dari Falcon 9 SpaceX (Hawthorne, CA, AS), yang diperkirakan kurang dari $7.500/kg untuk orbit transfer geosinkron (di mana sebagian besar satelit tinggal) dan kurang dari $3.000/kg untuk orbit Bumi rendah.
Tidak heran jika struktural roket ringan sedang ditusluis oleh banyak organisasi industri angkasa, atau bahwa bahan komposit ditampilkan dalam upaya tersebut. Keberhasilan dalam upaya ini awalnya tergantung pada menemukan cara untuk mencapai tujuan pengemasan ringan sambil mematuhi standar yang telah ditetapkan untuk komponen logam dasar, termasuk geometri bagian dan properti termo-mekanis.
Untungnya, batasan-batasan tersebut tidak mencegah Technical University of Munich (TUM, Munich, Jerman) Chair of Carbon Composites dari melebihi estimasi awal pengurangan berat sebesar 30% dari modul beban ilmiah roket penelitian. Faktanya, modul pertama terjamin polimer terjamin serat karbon (CFRP) ini, yang dirancang dan dibangun oleh TUM di bawah program Rocket Experiments for University Students (REXUS), mencapai pengurangan berat lebih dari 40%, menurut Ralf Engelhardt, peneliti asosiat di Chair of Carbon Composites. Pengurangan berat tersebut menghasilkan banyak opsi penghematan biaya untuk misi: beban lebih berat, apoge lebih tinggi, atau konsumsi bahan bakar yang dikurangi.
Mendesain dalam kondisi batas
Modul roket TUM terdiri dari satu bagian dari roket penelitian REXUS, yang didanai oleh German Aerospace Center (DLR, Cologne, Jerman), Swedish National Space Agency (SNSA, Stockholm, Swedia) dan ESA, dan mendanai proyek universitas di seluruh Eropa. Roket penelitian REXUS diluncurkan dua kali setahun untuk memungkinkan eksperimen universitas selama penerbangan sub-orbit. Mereka terbang hingga ketinggian maksimum 80-100 km, dengan kecepatan vertikal maksimum sekitar 1.200 m/s dan akselerasi maksimum sekitar 20G. Struktural dasar modul beban ilmiah adalah aluminium, dengan diameter luar 356 mm dan panjang 300 mm. Modul CFRP TUM dirancang untuk REXUS Mission 23, untuk tanggal peluncuran yang saat ini diharapkan awal 2019.
Sementara program REXUS biasanya mendukung proyek sains universitas yang dilakukan di dalam modul beban ilmiah, proyek TUM unik karena subjek eksperimen adalah modul komposit itu sendiri — desain, manufaktur, performa, dan kualifikasi untuk penerbangannya. "Tujuan utama kami adalah mengganti aluminium dengan CFRP, yang bukan misi yang biasa," tegas Engelhardt.
Modul ini terdiri dari cangkang silinder CFRP — 356 mm diameter dan 300 mm panjang, seperti versi aluminium asli — dan dua cincin input beban radial-aksial (radax) komposit termoplastik, satu jantan dan satu betina, yang menyediakan koneksi bout ke modul yang berdekatan. Desain CFRP dibuat untuk memenuhi persyaratan geometri dan properti termo-mekanis spesifik, yang diperlukan karena modul harus beroperasi sesuai standar yang konsisten dengan sisa roket. Karena itu, geometri modul telah ditetapkan sebelumnya, termasuk persyaratan untuk mencocokkan ketebalan dinding versi aluminium. Modul juga harus mencapai kekakuan yang sama dengan versi aluminium. Fitur modul yang paling tidak fleksibel adalah geometri dan properti mekanis cincin input beban modul, yang harus mempertahankan posisi dan integritas relatif terhadap modul tempat mereka dipasang.
Modul TUM terbuat dari bahan serat karbon/polyetheretherketone (PEEK), dipilih untuk performa mekanis dan termal yang tinggi, serta kekuatan spesifik dan kekakuan yang lebih tinggi dibandingkan aluminium. Dalam rangkaian akhir, lapisan korek ditempelkan secara adesif pada cangkang untuk menyediakan isolasi termal. Selain pengurangan berat yang diharapkan sebesar 30%, TUM juga mengejar pendekatan manufaktur yang efisien. Desain awal mencakup konsep manufaktur di mana cincin radax diform press dari granulat termoplastik serat panjang (LFT), dikeluarkan dari cetakan dan dipersiapkan untuk integrasi; kemudian modul lengkap di-layup menggunakan automated fiber placement termoplastik dengan in-situ consolidation (TP-AFP).
Tentu saja, dengan modul itu sendiri sebagai "eksperimen" utama, TUM memiliki kesempatan untuk memuat peralatan yang dibutuhkan untuk eksperimen sekunder di dalam modul. Tim memilih untuk mengukur suhu internal dalam struktur komposit menggunakan sensor serat optik (FOS) yang ditanam. Engelhardt menjelaskan bahwa FOS dipilih di atas termocouple karena diameter tipis dan bentuk seratnya menghasilkan pengurangan minimal pada performa mekanis cangkang CFRP, dan karena sinyal optik tidak rentan terhadap gangguan dalam medan elektromagnetika yang dihadapi roket. Empat FOS — khususnya, sensor capsuled fiber Bragg grating (FBG) — ditanam selama manufaktur TP-AFP pada posisi dan kedalaman yang berbeda dalam laminat, dan kemudian dihubungkan ke sistem pengukuran di dalam modul yang mengoperasikan sensor. Sistem pengukuran mengumpulkan dan mengelola data, serta menyediakan downlink ke stasiun bumi.
Proses manufaktur dua tahap
Untuk memproduksi modul, tim TUM pertama-tama membentuk cincin. Granulat LFT PEEK 450CA30 Victrex plc (Lancashire, Inggris) (mengandung serat karbon dengan panjang 2-3 mm) diform press ke dalam cetakan berbentuk cincin. Press dipanaskan ke 390˚C, ditekan pada tingkat gaya yang meningkat (50-200 kN), kemudian didinginkan dan dikeluarkan dari cetakan pada 100˚C.
Cangkang terbuat dari pita prepreg unidirectional serat karbon/PEEK Teijin (Tokyo, Jepang) Tenax pada peralatan TP-AFP dari AFPT GmbH (Doerth, Jerman). Proses TP-AFP memungkinkan in-situ consolidation pita termoplastik pada suhu ruang pada cincin input beban CFRP. Konsolidasi autoclave tidak diperlukan, dan konsolidasi pada cincin yang telah diproduksi sebelumnya menghilangkan kebutuhan akan penangkal mekanis tambahan atau adesif. Engelhardt puas dengan hasil proses dua tahap ini. "Ini adalah kombinasi baru," katanya. "Selalu merupakan tantangan melakukan in-situ consolidation dengan pita termoplastik, tetapi di sini, kami berhasil menempatkan pita pada cincin monolitik tebal."
Engelhardt juga puas dengan integrasi FOS, yang merupakan tantangan teknis baru. TUM memiliki pengalaman menggunakan FOS dalam epoksi murni, tetapi tidak dalam laminat komposit, dan tidak menggunakan proses AFP termoplastik. Tim mengatasi tantangan ini dan mencapai performa kualifikasi penerbangan.
Terakhir, modul ini mengintegrasikan bulkhead terpisah, yang berfungsi sebagai plat pemasang untuk perangkat pengukuran. Bulkhead di-termform ke dalam bentuk domnya dari organosheet datar yang terdiri dari bahan serat karbon/PEEK yang sama dengan silinder modul.
Desain hingga kualifikasi
Untuk mencapai kualifikasi penerbangan, TUM memajukan proyek ini melalui proses pengujian, simulasi, dan evaluasi yang lengkap. Pertama, bahan dikarakterisasi pada tingkat kupon pada suhu ruang dan pada suhu layanan maksimum 135˚C. Pengujian subkomponen membantu memastikan performa geser antar-lapisan yang dapat diterima pada antarmuka antara cincin dan cangkang, serta kekuatan tarik keluar yang memadai pada penangkal yang digunakan untuk menghubungkan modul roket. Data dari pengujian awal memberikan masukan untuk simulasi dan desain.
Analisis struktural elemen hingga membantu tim mengoptimalkan tata letak laminat. Hasilnya untuk silinder adalah tata letak simmetris 34 lapisan (0˚/±15˚/±45˚/90˚). Setelah pembuatan modul, TUM melakukan pengujian skala penuh. Untuk memenuhi beban kualifikasi penerbangan, modul mengalami pengujian getaran dari 0-300 Hz pada tingkat frekuensi 0,083 g²/Hz. Modul juga mengalami pengujian lentur, yang menunjukkan performa yang berhasil di bawah beban kualifikasi 14 kNm.
Perbaikan lebih lanjut akan datang
Misi REXUS 23 awalnya dijadwalkan pada Maret 2018, tetapi ditunda karena kesulitan selama misi REXUS sebelumnya. Peluncuran sekarang dijadwalkan pada akhir Februari atau awal Maret 2019 dari Kiruna, Swedia. Tim TUM memanfaatkan waktu tambahan dengan membangun modul kedua dan mengujinya/mengkualifikasikannya pada musim gugur lalu. Dalam unit baru ini, daripada diform press cincin input beban, tim membuat cincin dicetak sentrifugal oleh Elekem Ltd. (Lancashire, Inggris). Bahan mentah sama, kata Engelhardt, dan modul asli dengan cincin diform press memenuhi semua kualifikasi penerbangan. Namun, modul baru meningkatkan performa cincin dari tingkat yang dapat diterima lebih dekat ke tingkat ideal. "Proses diform press masih membutuhkan beberapa optimasi," kata Engelhardt, "namun ini sangat menjanjikan."
Tujuan masa depan, menurut Engelhardt, dan alasan TUM akan kembali ke diform press di masa depan, adalah untuk membuat cincin dari bahan sisa proses AFP. "Kami akan mengambil potongan dan bahan yang tersisa pada gulungan, menghancurkannya, lalu menggunakan potongan-potongan kecil ini untuk diform press cincin," katanya. Dengan data dan pengalaman yang terbatas terkait proses daur ulang ini, TUM tidak dapat mengimplementasikannya dalam batasan waktu dan anggaran dari pekerjaan Mission 23 mereka. Harapannya adalah membangun dan mengkualifikasi cincin yang terbuat dari bahan daur ulang untuk penerbangan angkasa di masa dekat.
Setelah misi selesai, TUM akan menggunakan data FOS untuk mengembangkan gambaran yang lebih rinci tentang beban termal pada modul selama penerbangan. Pengetahuan seperti ini dapat menyebabkan modifikasi pada pilihan bahan serta desain dan dimensi modul. "Simulasi termal dilakukan berdasarkan pengukuran sebelumnya, tetapi kami segera akan memiliki data aktual," katanya. "Kami mungkin menemukan bahwa kami tidak perlu memiliki suhu transisi kaca (Tg) PEEK sebesar 143˚C," dia ilustrasikan. "Tg yang lebih rendah berarti kami mungkin dapat menggunakan polimer yang lebih murah."
Kedua polimer yang lebih murah dan penggunaan bahan daur ulang akan berkontribusi pada tujuan keseluruhan industri angkasa untuk mengurangi biaya transportasi angkasa dengan orde magnitudo. Namun, kontribusi terbesar dari upaya REXUS TUM tanpa ragu adalah pengurangan berat 40% yang telah dicapai.
