Криогенная верхняя ступень (Etage Supérieur Cryotechnique de type A — ESC-A) для Ariane 5 ECA, рейс V172, поднимается перед установкой на верхнюю часть основного корпуса ракеты-носителя. Интеграция была выполнена в Здании интеграции пусковой установки (Bâtiment d’Intégration Lanceur — BIL) на европейском космодроме Куру во Французской Гвиане 19 июня 2006 года. Фото: ESA/CNES/ARIANESPACE-Service Optique CSG.
Запускать вещи в космос сложно. Помимо двигателей и программного обеспечения, орбитальных расчетов и стартовой площадки, баки с топливом сами по себе являются мастерским примером инженерной мысли. А ЕКА вскоре будет испытывать ракетные танки следующего поколения — «Фебус».
Подумайте вот о чем: европейские ракеты часто работают на жидком кислороде и жидком водороде, это отличное топливо, но в жидком виде его необходимо хранить при экстремальных температурах ниже -200°C. Ракетные баки должны сохранять эти переохлажденные жидкости прохладными, при этом веся при этом как можно меньше.
У водорода есть еще несколько сложностей: поскольку это самая маленькая молекула во Вселенной, а мелкие предметы трудно удержать, резервуар с водородным топливом должен быть одним из самых герметичных контейнеров, которые может создать человек. Водород также очень легкий, поэтому для хранения относительно небольших количеств газа необходимы большие объемы, что снова усложняет задачу сохранения легкости резервуаров. Топливные баки, хранящиеся в жидкой форме, находятся под давлением, обеспечивающим попадание топлива в двигатель при правильном давлении и температуре, поэтому баки должны быть не только герметичными и изолирующими, но и прочными.
Жидкий кислород обладает дополнительным свойством, из-за которого его трудно хранить: он очень реактивен и быстро разъедает многие материалы. Спроектировать и построить подходящий бак для ракеты – непростая задача, а во время запуска она становится еще сложнее. При запуске ракетного двигателя и взлете ракета подвергается мощному взрыву, сжимающему и встряхивающему каждый компонент, а больше всего приходится на топливные баки, поскольку они содержат жидкости, которые плещутся внутри.
Концепт конструкции танка Феб. Фото: Европейское космическое агентство.
Карбон-пластик фантастический
Проект ЕКА «Фебус» предполагает использование армированного углеродным волокном пластика для баков ракетного топлива следующего поколения. Материалы из углеродного волокна покорили мир, поскольку они чрезвычайно легкие и прочные, но до сих пор их не удалось сделать достаточно герметичными для хранения жидкого водорода или жидкого кислорода из-за его реакционной способности. Европейские команды из ESA, MT Aerospace и ArianeGroup теперь преодолели оба этих ограничения за счет использования новых производственных технологий, а также современных методологий проектирования и точной настройки химического состава пластмасс.
Phoebus — это демонстратор топливного бака из армированного углеродным волокном пластика, который создается с нуля с использованием поэтапного производства. Эта технология и инновационный дизайн позволяют инженерам создать уникальную форму, которая удерживает топливный бак внутри несущей рамы с изолирующим воздушным зазором между ними, решая многие из вышеперечисленных проблем одним махом добавки. Легкий, прочный, герметичный и нереактивный, ключевой элемент проекта «Фебус» на прошлой неделе прошел проверку готовности к испытаниям и получил добро на проведение испытаний, в ходе которых модель кислорода диаметром 2 метра танк будет испытываться так, как если бы он действительно летал. Резервуар с водородом аналогичного размера будет испытан в следующем году, перед испытаниями полномасштабного структурного демонстратора полной верхней ступени в 2025 году.
«Физика, химия и строительные технологии, лежащие в основе этого проекта, ошеломляют», — говорит Кейт Андерхилл, ведущий инженер ЕКА по этому проекту. «Когда мы запускали Phoebus, риски были высокими, и тот факт, что проект достиг этой стадии, стал возможным благодаря огромной приверженности и ноу-хау команд, участвующих в ESA, MT Aerospace и ArianeGroup, работающих вместе как одно целое».
Тестирование Феба. Фото: Европейское космическое агентство.
Толкать и тянуть
Первым этапом тестирования является подача под давлением азота, а затем гелия — газа, используемого для определения наличия утечек в резервуаре.
Если «Фебус» пройдет это испытание, следующим шагом будет испытание с кислородом. «Мы перевезем «Фебус» на военный полигон компании Rheinmetall в Унтерлюссе, Германия, — говорит Кейт, — мы сможем проводить испытания там, потому что они привыкли справляться со взрывами… при работе с жидким кислородом, если что-то пойдет не так, то пойдет не так очень быстро!»
Самыми «испытательными» для танка станут финальные испытания, где его будут буквально тянуть и толкать, имитируя нагрузки от запуска ракеты на предприятии MT Aerospace в немецком Аугсбурге. Во время этого испытания бак будет наполнен азотом и находится под давлением, чтобы полностью имитировать его состояние во время полета.
Информация от: Европейским космическим агентством
