¿Por qué no construir cohetes con materiales compuestos?

Los materiales compuestos funcionan bien en las temperaturas que comúnmente se encuentran en todos los climas de la Tierra, pero los elementos de los cohetes oscilan entre las temperaturas del hidrógeno líquido (donde los componentes poliméricos se vuelven muy frágiles) y miles de grados de resistencia del aire y radiación de combustión (donde los compuestos simplemente se queman), y temperaturas brutales. la temperatura cambia una vez en el espacio. No importa la durabilidad limitada contra la radiación ultravioleta y espacial, a menudo peores valores de durabilidad absoluta (mejor "por gramo" pero peor "por cc", lo que significa un cohete más grande con más resistencia al aire), peor resistencia química (hidracina, combustibles SRB), oxidación en altas concentraciones de oxígeno (que se evapora de los tanques de criocombustible a baja presión) y peor durabilidad a largo plazo (esto no es tan importante en realidad).

Ciertamente tienen su lugar, por ejemplo. en el interior de la nave espacial tripulada, la infraestructura que rodea el lanzamiento, la creación de prototipos, pero actualmente sus características en los entornos que la nave debe soportar durante el lanzamiento y en órbita no son del todo satisfactorias.

A veces, sin embargo, sus deficiencias simplemente se aceptan , por ejemplo, el tanque de combustible líquido del transbordador, construido con un compuesto de aluminio bastante delgado y dos tipos de espumas, llegaría al espacio muy quemado en varios lugares y definitivamente en peores condiciones que antes del lanzamiento. - pero todavía lo suficientemente bueno para mantener el resto del combustible hasta que se agote.

Editar : se agregó más información sobre por qué los compuestos aún no son comunes.

La mayor parte de la estructura de un cohete consiste en LOX y tanques de combustible. Históricamente, los compuestos de carbono se consideraban demasiado inflamables para usarse de manera segura en tanques. Los compuestos de carbono fallaron en las pruebas estándar utilizadas, por ejemplo, por la NASA para determinar la inflamabilidad. En 2001, se realizó un estudio para reexaminar esta decisión.

Para ser considerados compatibles con LO ₂ , se deben seleccionar materiales que resistan cualquier tipo de reacción combustible perjudicial cuando se exponen a entornos de uso. Esto se evalúa tradicionalmente utilizando un conjunto estándar de pruebas. Sin embargo, se puede demostrar que los materiales que no pasan las pruebas estándar son seguros para una aplicación en particular. Este documento documenta el enfoque y los resultados de un programa conjunto de la NASA y Lockheed Martin para seleccionar y verificar materiales compuestos compatibles con LO ₂ para tanques de combustible de oxígeno líquido.

(el programa era VentureStar, por cierto)

Y hay otros problemas: a temperaturas LOX, los compuestos de carbono pueden hacer cosas extrañas , como encenderse espontáneamente cuando algo impacta en el tanque. Evitar eso era cuestión de encontrar los materiales adecuados:

Tom DeLay, investigador en el área de materiales y procesos no metálicos en el Centro Espacial Marshall de la NASA (Huntsville, Ala.), señala que los muchos programas de desarrollo de tanques criogénicos compuestos iniciados a lo largo de los años sin duda han resultado en mejoras tecnológicas, aunque la mayoría tenía problemas presupuestarios y restricciones de cronograma que no permitieron a los investigadores identificar o calificar los materiales óptimos para ambientes criogénicos.

Lockheed Martin Space Systems - Michoud Operations (Nueva Orleans, Luisiana) ha trabajado durante más de 20 años en varios programas de la NASA para adaptar compuestos para aplicaciones criogénicas.

Otro obstáculo en el uso de compuestos es la necesidad de autoclaves gigantes si desea construir grandes estructuras a partir de un compuesto (por ejemplo, los tanques SLS).

"La fabricación, especialmente para compuestos, está limitada por el tamaño de las instalaciones disponibles, y cuanto más complicado es el diseño, mayor es el costo y la dificultad de la fabricación", afirma el nuevo documento de la NASA, que se publicó el 11 de mayo. "Entonces, los conceptos que están habilitados por El procesamiento de compuestos sin autoclave y con herramientas integradas o de bajo costo son de gran importancia”.

Desarrollar un nuevo cohete es un proceso largo y costoso. La falta de presión sobre los precios significaba que las empresas podían permitirse seguir utilizando los diseños existentes en lugar de tener que desarrollar cohetes nuevos y más baratos. El mercado de los cohetes es mucho menos despiadado que el mercado de la aviación y mucho más pequeño (por lo que su costoso desarrollo debe pagarse con menos ventas).

Con la llegada de varias empresas comerciales, eso está cambiando. En estos días, la NASA , la ESA y la JAXA están considerando materiales compuestos para estructuras entre etapas, tanques de combustible criogénico y otras partes de cohetes.

SpaceX ya usa compuestos de fibra de carbono para el carenado de carga útil y entre etapas en el Falcon 9. Aquí está la entre etapas:

De la guía del usuario de Falcon 9:

La etapa intermedia de los vehículos Falcon, que conecta la primera y la segunda etapa, es una estructura compuesta que consta de un núcleo de nido de abeja de aluminio rodeado por capas frontales de fibra de carbono. La etapa intermedia está fijada al extremo delantero del tanque de la primera etapa.

ULA usa la misma combinación para su carenado Atlas V. Los Atlas SRB utilizan una carcasa de fibra de carbono .

Este es un carenado de Falcon 9 después del aterrizaje:

Las partes de los lanzadores más nuevos se han fabricado con materiales compuestos. Por ejemplo, la primera etapa Vega (P80) utiliza compuestos para la carcasa y algunas partes de la boquilla:

Sin embargo, en lugar de la estructura exterior de acero utilizada para los propulsores Ariane, el P80 tiene una carcasa de material compuesto de filamentos enrollados de peso ligero. También incorpora un nuevo diseño simplificado de encendedor con estructura de fibra de carbono.

Se ha desarrollado una nueva boquilla orientable fabricada con material compuesto, con una arquitectura simplificada formada por menos elementos, para reducir los costes de producción. También incluye piezas de metal fundido de forma compleja y un nuevo material de aislamiento térmico.

ELV tiene como objetivo desarrollar una primera etapa más grande, la P120, para actualizar Vega. También se espera que se utilicen como impulsores Ariane 6.

En cuanto a por qué estos materiales ya no se usan más, recuerde que la tecnología es relativamente nueva (al menos para su uso en aplicaciones tan exigentes como cohetes, como se describe en la respuesta de SF ) y la industria de lanzadores es bastante conservadora y evoluciona lentamente.

El vehículo de lanzamiento Electron de Rocket Lab está (hasta donde yo sé) construido casi completamente de compuesto de carbono, incluidos los tanques de combustible. Escuché que ha habido problemas con los compuestos de carbono que son adecuados para contener propulsores líquidos, pero si esta empresa tiene la confianza suficiente para producir un vehículo completamente de ese material, entonces estoy seguro de que han hecho su tarea.

Los compuestos funcionan bien en el espacio y para combustibles criogénicos. Hubo algunos problemas con los tanques de hidrógeno líquido del X-33, por lo que la gente dice que "no funcionan a bajas temperaturas", pero esos problemas se han resuelto hace mucho tiempo.

Hacerlos resistentes a la radiación es una cuestión de seleccionar la resina correcta, y hay disponibles resinas que se mantienen en el espacio. Por supuesto, los cohetes solo operan en el espacio durante unos días como máximo, por lo que esto no sería un factor en ningún caso.

La idea de que los compuestos son menos resistentes a la corrosión que el aluminio es absurda, porque casi cualquier cosa es más resistente a la corrosión que el aluminio. La resistencia a la corrosión es en realidad uno de los principales puntos de venta de los compuestos.

Los compuestos se utilizan ampliamente en los satélites modernos para almacenar propulsores, entre otras cosas.

La razón por la que no se usan en cohetes es simple: incluso los cohetes más nuevos (como el Falcon 9) se diseñaron antes de que se demostrara que los compuestos podían contener propulsores criogénicos. Cambiar a un nuevo material para los tanques de combustible del cohete requeriría volver a calificar el cohete, lo que lleva años y es muy costoso. Puede esperar que los cohetes comiencen a usar estos materiales para los tanques de combustible a medida que se desarrollen nuevos cohetes en los próximos años y décadas.

Este es un documento interesante para mirar. He estado interesado en los termoplásticos de cáñamo desde hace algún tiempo, y el potencial en la construcción de cohetes mucho más grandes que los que tenemos en la actualidad. La resistencia a la tracción del aluminio se extiende a aproximadamente 60 MPa para el aluminio de grado espacial de mayor resistencia y, como algunas personas han señalado aquí, el aluminio se usa en parte por sus propiedades a baja temperatura. Esta investigación sobre compuestos de fibra de cáñamo/fibra basal observa un aumento en la resistencia a la tracción de 111 MPa, así como aumentos en la "resistencia a la flexión" y la "resistencia al impacto".

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

La NASA también ha estado realizando investigaciones sobre nuevos compuestos plásticos para abordar el problema de la protección contra la radiación de rayos cósmicos en naves espaciales más grandes y de larga distancia (por ejemplo, naves que nos lleven a Marte). Tengo el presentimiento de que los termoplásticos de cáñamo podrían proporcionar una gran protección contra la radiación. Así que sí, creo que tienes razón y que los compuestos realmente deberían ser el futuro de la exploración espacial. Con una resistencia a la tracción en la región de 1110MPa, un peso más ligero que el aluminio, el mismo módulo de Young y estas propiedades criogénicas, parece que podríamos estar construyendo cohetes del tamaño del Empire State Building potencialmente, y luego realmente estaríamos yendo a lugares en espacio. Desafortunadamente, decidimos prohibir uno de nuestros cultivos más valiosos y versátiles (cáñamo) a principios del siglo XX porque los industriales ricos querían fabricar combustible, textiles, productos farmacéuticos, materiales de construcción, papel y fertilizantes de dinosaurios muertos en lugar de cáñamo. El cáñamo también tiene increíbles propiedades de fitorremediación, fija nitrógeno y ayuda a la estructura del suelo, por lo que inevitablemente necesitaremos usarlo en rotaciones de cultivos cuando se agote el gas natural (lo que sucederá en menos de 50 años).