Почему бы не строить ракеты из композитных материалов?

Композитные материалы хорошо работают при температурах, обычно встречающихся при любой погоде на Земле, но элементы ракеты колеблются между температурами жидкого водорода (когда полимерные компоненты становятся очень хрупкими) и тысячами градусов сопротивления воздуха и радиации горения (когда композиты просто горят) и жесткими температура меняется один раз в пространстве. Не говоря уже об ограниченной стойкости к ультрафиолетовому излучению и космическому излучению, часто худшие абсолютные значения стойкости (лучше «на грамм», но хуже «на см3», что означает большую ракету с большим сопротивлением воздуху), худшая химическая стойкость (гидразин, топливо SRB), окисление в высокая концентрация кислорода (который испаряется из резервуаров с криотопливом низкого давления) и худшая долговечность (на самом деле это не так важно).

Они, безусловно, имеют свое место - например. в салоне пилотируемых космических аппаратов, в инфраструктуре вокруг запуска, в прототипировании - но в настоящее время их характеристики в условиях, которые должен выдерживать корабль при запуске и на орбите, не вполне удовлетворительны.

Иногда, однако, их недостатки просто принимаются , например, жидкостный топливный бак шаттла, построенный из композита довольно тонкого алюминия и двух видов пены, прибывает в космос сильно обожженным в нескольких местах и ​​определенно в худшем состоянии, чем до запуска. - но все еще достаточно хорошо, чтобы сохранить остаток топлива, пока оно не истощится.

Изменить : добавлено больше информации о том, почему композиты еще не распространены.

Большая часть конструкции ракеты состоит из LOX и топливных баков. Исторически сложилось так, что углеродные композиты считались слишком легковоспламеняющимися для безопасного использования в резервуарах. Углеродные композиты не прошли стандартные тесты, используемые, например, НАСА для определения воспламеняемости. В 2001 году было проведено исследование, чтобы пересмотреть это решение.

Чтобы считаться совместимым с LO ₂ , должны быть выбраны материалы, которые будут противостоять любому типу вредных, воспламеняющихся реакций при воздействии окружающей среды. Это традиционно оценивается с помощью стандартного набора тестов. Однако можно показать, что материалы, не прошедшие стандартные испытания, безопасны для конкретного применения. В этом документе описаны подход и результаты совместной программы NASA/Lockheed Martin по выбору и проверке совместимых с LO ₂ композитных материалов для топливных баков с жидким кислородом.

(программа была VentureStar, кстати)

Есть и другие проблемы: при температурах LOX углеродные композиты могут делать странные вещи , в том числе самовозгораться, когда что-то ударяет по баку. Предотвращение этого было вопросом поиска правильных материалов:

Том Делэй, исследователь в области неметаллических материалов и процессов в Космическом центре НАСА им. Маршалла (Хантсвилл, Алабама), отмечает, что многие программы разработки композитных криогенных резервуаров, начатые в течение многих лет, безусловно, привели к совершенствованию технологий, однако большинство из них требовало бюджетных и финансовых затрат. ограничения графика, которые не позволяли исследователям определить или квалифицировать оптимальные материалы для криогенных сред.

Lockheed Martin Space Systems — Michoud Operations (Новый Орлеан, Луизиана) более 20 лет работала над различными программами НАСА по адаптации композитов для криогенных применений.

Еще одним препятствием на пути использования композитов является потребность в гигантских автоклавах, если вы хотите построить большие конструкции из композита (например, резервуары SLS).

«Производство, особенно композитов, ограничено доступными размерами оборудования, и чем сложнее конструкция, тем выше стоимость и сложность производства», — говорится в новом документе НАСА, опубликованном 11 мая. большое значение имеют неавтоклавная обработка композитов и интегрированная или недорогая оснастка».

Разработка новой ракеты — долгий и дорогостоящий процесс. Отсутствие ценового давления означало, что компании могли позволить себе продолжать использовать существующие конструкции вместо того, чтобы разрабатывать новые, более дешевые ракеты. Ракетный рынок гораздо менее беспощаден, чем рынок авиации, и гораздо меньше (поэтому ваши дорогие разработки должны оплачиваться меньшими продажами).

С появлением нескольких коммерческих предприятий ситуация меняется. В настоящее время NASA , ESA и JAXA рассматривают композиты для межступенчатых конструкций, криогенных топливных баков и других деталей ракет.

SpaceX уже использует композиты из углеродного волокна для обтекателя полезной нагрузки и промежуточной ступени Falcon 9. Вот промежуточная ступень:

Из руководства пользователя Falcon 9:

Промежуточная ступень транспортных средств Falcon, которая соединяет первую и вторую ступени, представляет собой композитную конструкцию, состоящую из алюминиевого сотового заполнителя, окруженного слоями облицовки из углеродного волокна. Промежуточная ступень крепится к переднему концу бака первой ступени.

ULA использует ту же комбинацию для своего обтекателя Atlas V. В Atlas SRB используется корпус из углеродного волокна .

Это обтекатель Falcon 9 после приземления:

Детали новых пусковых установок изготовлены из композитов. Например, в первой ступени Vega (P80) используются композиты для корпуса и некоторых деталей сопла:

Однако вместо стальной внешней конструкции, используемой для бустеров Ariane, P80 имеет легкий композитный корпус с намотанной нитью. Он также включает новую упрощенную конструкцию воспламенителя со структурой из углеродного волокна.

Для снижения производственных затрат было разработано новое управляемое сопло из композитного материала с упрощенной архитектурой, состоящей из меньшего количества элементов. Он также включает в себя литые металлические детали сложной формы и новый теплоизоляционный материал.

ELV стремится разработать более крупную первую ступень P120 для модернизации Vega. Ожидается, что они также будут использоваться в качестве ускорителей Ariane 6.

Что касается того, почему эти материалы уже не используются больше, помните, что технология является относительно новой (по крайней мере, для использования в таких требовательных приложениях, как ракетостроение, как описано в ответе SF ), а индустрия пусковых установок довольно консервативна и развивается медленно.

Ракета-носитель Electron от Rocket Lab (насколько мне известно) почти полностью изготовлена ​​из углеродного композита, включая топливные баки. Я слышал, что были проблемы с углеродными композитами, подходящими для содержания жидкого топлива, но если эта компания достаточно уверена, чтобы производить транспортное средство полностью из материала, то я уверен, что они сделали свою домашнюю работу.

Композиты прекрасно работают в космосе и для криогенного топлива. Были некоторые проблемы с баками с жидким водородом Х-33, поэтому люди говорят, что они «не работают при низких температурах», но эти проблемы давно решены.

Чтобы сделать их радиационно-стойкими, нужно выбрать правильную смолу, а смолы, которые выдерживают воздействие космоса, доступны. Конечно, ракеты работают в космосе максимум несколько дней, так что это ни в коем случае не будет иметь значения.

Идея о том, что композиты менее устойчивы к коррозии, чем алюминий, абсурдна, потому что почти все более устойчиво к коррозии, чем алюминий. Коррозионная стойкость на самом деле является одним из основных преимуществ композитов.

Композиты широко используются в современных спутниках для хранения топлива, среди прочего.

Причина, по которой они не используются в ракетах, проста: даже новейшие ракеты (например, Falcon 9) были разработаны до того, как было доказано, что композиты способны удерживать криогенное топливо. Переход на новый материал для топливных баков ракеты потребует от них переквалификации ракеты, что занимает годы и очень дорого. Можно ожидать, что ракеты начнут использовать эти материалы для топливных баков по мере разработки новых ракет в ближайшие годы и десятилетия.

Это интересный документ для просмотра. Я уже некоторое время интересуюсь конопляными термопластами и потенциалом создания гораздо более крупных ракет, чем мы имеем сейчас. Прочность алюминия на растяжение составляет около 60 МПа для самого высокопрочного алюминия космического класса, и, как здесь указывали некоторые люди, алюминий частично используется из-за его низкотемпературных свойств. Это исследование композитов конопляного волокна/базового волокна отмечает увеличение предела прочности при растяжении на 111 МПа, а также увеличение «прочности на изгиб» и «ударной вязкости».

https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/epoly-2021-0066/html?lang=en

НАСА также проводит исследования новых пластиковых композитов, чтобы решить проблему защиты от космического излучения в более крупных космических кораблях дальнего следования (например, кораблях, которые доставят нас на Марс). У меня есть подозрение, что термопласты из конопли могут обеспечить отличную радиационную защиту. Так что да, я думаю, вы правы, и композиты действительно должны стать будущим освоения космоса. С пределом прочности на разрыв в районе 1110 МПа, меньшим весом, чем у алюминия, тем же самым модулем Юнга и такими криогенными свойствами, похоже, мы потенциально могли бы строить ракеты размером с Эмпайр-стейт-билдинг, и тогда мы действительно отправились бы куда-то в космос. пространство. К сожалению, в начале 20-го века мы решили объявить вне закона одну из наших самых ценных и универсальных культур (коноплю), потому что богатые промышленники хотели производить топливо, текстиль, фармацевтические препараты, строительные материалы, бумагу и удобрения из мертвых динозавров вместо конопли. Конопля также обладает удивительными фиторемедиационными свойствами, фиксирует азот и улучшает структуру почвы, поэтому нам неизбежно потребуется использовать ее в севооборотах, когда закончится природный газ (что произойдет менее чем через 50 лет).