Инновация в ракетостроении: композитный криобак

Специалисты НАСА разработали и успешно испытали технологию, которая может существенно снизить вес ракет-носителей и, соответственно, увеличить их полезную нагрузку.

Речь идет о композитном криогенном баке – сосуде для хранения сжиженных компонентов ракетной топливной смеси. До сих пор криогенные баки изготавливали из металлов, поскольку ни один пластик или пластиковый композит не мог выдержать сочетание высокого давления, низкой температуры, сильной вибрации и перегрузок, характерных для эксплуатации баков ракет-носителей.

Тем не менее, инженерам и ученым из НАСА и компании Boeing удалось создать криобак, пригодный для использования в ракетах. Более того, криобак, полностью изготовленный из композиционных материалов, вероятно начнут устанавливать на американские ракету уже к концу этого десятилетия.

Новый композитный криобак весит на 30% меньше алюминиевого и стоит на 25% дешевле

Небольшое опытный образец композитного топливного бака изготовлен Boeing по заказу и при финансировании НАСА. Прототип может вместить почти 8000 литров жидкого водорода при закачке в 3 этапа с температурным диапазоном: от комнатной температуры до температуры -217 градусов Цельсия.

25 июня в Центре космических полётов им. Маршалла начались пробные заправки 2,4-м композитного бака: он успешно выдержал 20 циклов заправки с 0 бар до давления 9,3 бар, Следующей весной начнутся испытания большей, 5,5-м, версии криобака, его подвергнут испытаниям на вибрацию, механические нагрузки, многократные скачки температуры и давления.

Пока проект создания криобака развивается очень успешно, и в НАСА уже видят огромные перспективы данной разработки. В частности композитные криобаки на 25% дешевле обычных алюминиево-литиевых, но главное: масса композитного бака как минимум на 30% меньше. Не нужно лишний раз говорить, что это существенная экономия массы, которая дает несколько тонн дополнительной полезной нагрузки для тяжелой ракеты вроде SLS.

Интересно, что криобак Boeing изготовлен из тонких слоев композитов, которые не требуют процесса отверждения при высокой температуре, и это резко снижает их стоимость. При этом, благодаря использованию тонких слоев композита, снижается риск развития микротрещин, которые приводят утечкам топлива или окислителя. Более того, множество тонких слоев не просто снижают проницаемость стенок бака для водорода (который известен своей летучестью), а полностью ее устраняет. Подобная технология пригодилась бы не только в космической технике, но и в авиа и автомобилестроении – для создания самолетов и автомобилей на водородном топливе. Сегодня хранение водорода представляет проблему: металлические баки дороги и тяжелы, к тому же водород настолько летуч, что проникает через большинство материалов, создавая крохотную, но в некоторых случаях все же опасную утечку.

Заметим, что в 1999 году эксперименты с композитными баками в НАСА закончились провалом: заправленный жидким водородом бак опытного аппарата X-33 расслоился и вышел из строя. Новый бак имеет другую внутреннюю структуру: не сотовую, а на основе крохотных трубок, и пока эта конструкция работает отлично.