碳纤维在欧洲航天火箭中的应用

 

专家们把目光投向了在不来梅开发和建造的火箭末级。它将在本世纪末被设计成一个"黑色上层舞台"，碳纤维复合材料将取代以前的金属结构。Sven Rakers说：“每多一公斤的有效载荷都会降低发射成本。”在阿丽亚娜6号首次发射前约一年，Sven Rakers作为欧洲火箭制造商阿丽亚娜集团（ArianeGroup）不莱梅基地未来项目的负责人领导一个技术要求很高的 "黑色末级"项目。这个项目是否能够成功，要到2025年左右才能看到。

鉴于带有四个助推火箭的重载级的总重量高达860吨，阿丽亚娜6号的末级重量是多2吨还是少2吨，起初似乎并不重要。然而，最终，只有末级与有效载荷一起飞过太空。Sven Rakers说："这个舞台每变轻一公斤，就直接可以增加有效载荷一公斤。"

 

自从特斯拉开发商和推特所有者埃隆-马斯克以倾销价格搅动国际卫星发射市场以来，在通往星空的道路上的竞争一直是残酷无情的-至少在欧洲太空旅行者看来是这样。最重要的是有效载荷。有了更轻的末级，阿丽亚娜6号就可以携带13.5吨而不是11.5吨的有效载荷进入地球静止轨道。额外的有效载荷对商业用户特别有意义，例如来自电信部门。

 

使用碳纤维而不是金属来减轻基本结构部件的重量，早已成为航空业日常生活的一部分。航空航天工程师也已经与这种材料打了一段时间的交道。Sven Rakers说："使用纤维复合材料，设计的自由度非常高，而且需要的连接元件也（如法兰或螺丝）少得多，"他列举了一些优点。

 

然而，也有一些技术挑战-寻找解决方案是Phoebus项目（高度优化的黑色末级原型；这里的"黑色"代表黑色材料碳）的重点，欧洲航天局ESA于11月初委托阿丽亚娜集团进行该项目。

 

不来梅生产的火箭末级除了发动机外，还包括三个基本部件：一个液态氢和氧的罐子，以及一个外壳，它同时承担着支撑结构的功能。原则上，用碳纤维缠绕空心体早已不是障碍。航空航天公司MT Aerospace拥有相关经验；除其他外，这家位于不来梅的OHB集团的子公司生产航空用碳罐，并凭借这一技术成为阿丽亚娜集团的Phoebus项目合作伙伴。

 

与传统的航空燃料或石蜡不同，火箭燃料给燃料开发商带来了极大的挑战：液态氢几乎会迁移到所有的材料中。Rakers解释说：“而液氧具有极强的攻击性，可以攻击大多数表面。这两种燃料成分也都储存在极端温度下：氢气在-253℃，氧气在-198℃。”在这样的温度下，任何材料实际上都会恶化。"在这样的温度下，实际上每一种材料都会变得很脆，"Rakers说。

 

在弗劳恩霍夫制造技术和应用材料研究所（IFAM）等机构的帮助下，奥格斯堡和不来梅的火箭开发者显然已经成功地克服了这一挑战。然而， Rakers不愿提供详细信息："归根结底，这是一个用于粘合碳纤维网的树脂问题"。

 

接下来的几个月的测试将显示该材料是否达到了迄今为止信用卡大小的样品所做出的承诺。最初，体积为30升至40升的 "瓶子"已经被缠绕和测试。现在，参与项目的工作人员正在一步步接近以后在储罐建造中所需要的尺寸。他们目前正在积累生产直径为2.00米的储罐的经验。Phoebus项目的最终目标是生产一个直径为3.50米的示范器。Sven Rakers说："这相当于未来氧气罐的直径，并接近于氢气罐的直径。"

 

当演示器通过所有测试后，真正的挑战才开始。只有到那时，开发商才希望将氢气罐的制造产业化，并生产直径为5.40米的全尺寸氢气罐。航天工程师不想早早地投入到这个层面，这有一个务实的背景：所有Phoebus组件都要在位于Lampoldshausen的德国宇航中心的火箭试验台上进行全面的系列测试。Rakers解释说："这就是为什么我们最初将自己限制在可以在奥格斯堡、不来梅和兰波德豪森之间轻松运输的部件上。"

 

基础开发将在2023年底前完成。届时，不来梅的专家们也希望能澄清剩余的未决问题。正如目前阿丽亚娜5号的末级和新的阿丽亚娜6号的末级一样，仍然是经典的金属结构，"黑色末级"也将承担有效载荷的重量，并引导其进入火箭的结构。在这里，碳也是设计师的首选材料。除了由纤维复合材料制成的主支架外，由蜂窝状结构组成的末级包层将承担载荷。

 

这些单个元素的细节是什么，以及它们如何相互作用，将是2025年开始的第二个项目阶段的主题。三年后，黑色末级的系列生产就可以开始了。"在此之前，我们肯定会面临许多挑战，"Sven Rakers深信不疑，"但考虑到好处，这种努力绝对是值得的。"