MT Aerospace e ArianeGroup hanno firmato i contratti con l'ESA il 14 maggio 2019 per sviluppare Phoebus, un prototipo di stadio superiore nero altamente ottimizzato. Gli stadi superiori del razzo sono comunemente realizzati in alluminio, ma il passaggio ai compositi in carbonio riduce i costi e potrebbe produrre una capacità di carico utile di due tonnellate. Credito:ArianeGroup
I futuri razzi potrebbero volare con serbatoi realizzati in plastica leggera rinforzata con fibra di carbonio grazie a ricerche innovative condotte nell'ambito del programma preparatorio Future Launchers dell'ESA.
Basandosi su studi precedenti, MT Aerospace in Germania ha dimostrato un nuovo design di un serbatoio su piccola scala realizzato con un'esclusiva plastica rinforzata con fibra di carbonio (CFRP) che non è solo a prova di perdite con idrogeno liquido, ma anche compatibile con ossigeno liquido, senza l'uso di un rivestimento metallico.
Un serbatoio realizzato esclusivamente in CFRP è molto più leggero del metallo, richiede meno parti ed è quindi più veloce ed economico da produrre.
Questo è un traguardo importante come di consueto, lo stoccaggio di propellenti criogenici come questi che vengono raffreddati a -253˚C richiede serbatoi con rivestimenti metallici per renderli a prova di perdite, con o senza rivestimento composito.
"I serbatoi di carburante sono elementi critici per la sicurezza in qualsiasi sistema di propulsione, " ha spiegato Hans Steininger, CEO di MT Aerospace. "Abbiamo fornito la prova che un serbatoio a pressione ad alte prestazioni in CFRP può resistere allo stress criogenico. In futuro, l'uso di carri armati CFRP ad alte prestazioni non dovrebbe solo consentire lanci di razzi sicuri, può inoltre sfruttare il vantaggio di una massa notevolmente inferiore rispetto ai serbatoi metallici."
"Questo è un enorme passo avanti. Abbiamo trovato un composito di carbonio molto specifico e un metodo di lavorazione che ci permetterà di considerare nuove architetture e combinazioni di funzioni per gli stadi superiori dei razzi che non sono possibili usando il metallo, " ha aggiunto Kate Underhill, Project manager dei dimostratori di stadio superiore e di propulsione nel programma preparatorio Future Launchers dell'ESA.
I test mostrano che la plastica rinforzata con fibra di carbonio leggera è abbastanza forte da sostituire il metallo utilizzato nelle strutture dei razzi di livello superiore. Si tratta di un'importante pietra miliare in Europa per lo sviluppo di un prototipo di stadio superiore "nero" altamente ottimizzato, Febo, un'iniziativa congiunta di MT Aerospace e ArianeGroup, finanziato dal programma preparatorio Future Launchers dell'ESA. MT Aerospace ha testato la resistenza di un serbatoio ossidante sottoscala realizzato in plastica rinforzata con fibra di carbonio. Durante questi test, il serbatoio è stato riempito e svuotato più volte, pressurizzato oltre i limiti operativi e testato contro gli urti per garantire l'assenza di eventi di accensione della bombola di ossigeno. Sensori di pressione monitorati, temperatura, deformazione o una possibile perdita. L'analisi dei risultati e la buona integrità strutturale complessiva del serbatoio dimostrano la tecnologia per l'utilizzo in uno stadio superiore Phoebus. Credito:MT Aerospace AG
"Il metallo è a tenuta stagna. Per ricreare la stessa proprietà con il composito di carbonio è necessaria una complessa trama di fibra di carbonio nera e una resina speciale. Il materiale ha resistito alle temperature criogeniche, cicli di pressione e sostanze reattive in una serie di prove separate."
A seguito di questi test 'bottiglia', presto saranno costruiti dimostratori di serbatoi di piccole dimensioni con protezione termica integrata per ulteriori test. I dati raccolti alimenteranno lo sviluppo di un dimostratore su vasta scala di un futuro stadio superiore altamente ottimizzato, chiamato Febo.
Febo avrà serbatoi di idrogeno e ossigeno di 3,5 m di diametro, protezione termica, elementi di assemblaggio strutturale e presentano nuove tecnologie nell'avionica, strutture e mezzi di propulsione. CFRP sarà applicato nei serbatoi, la struttura di interfaccia tra i due serbatoi e il cilindro esterno rappresentativo del rivestimento esterno dello stadio superiore.
Il dimostratore Phoebus sarà testato con fluidi criogenici nel 2023 per confermare le prestazioni funzionali delle tecnologie e nuovi metodi di produzione efficienti in termini di costi come parte di un nuovo contratto per far progredire lo sviluppo di stadi superiori altamente ottimizzati.
"Ecco un eccellente esempio di come il supporto dell'ESA a tecnologie all'avanguardia mature porti a importanti scoperte. Questo nuovo materiale leggero a base di carbonio consentirebbe la produzione di uno stadio superiore Ariane 6 che è due tonnellate più leggero, massa liberata per i carichi utili, " ha detto Daniel Neuenschwander, Direttore del trasporto spaziale dell'ESA.
Il progetto Phoebus è un'iniziativa congiunta di MT Aerospace e ArianeGroup in Germania per convalidare le tecnologie chiave sviluppate con il supporto dell'ESA da maggio 2019.
