Řada testů prokázala, že odlehčený uhlíkovými vlákny zesílený plast je dostatečně pevný, aby nahradit kov používaný v konstrukcích horních stupňů raket. Jde o důležitý mezník při vývoji prototypu optimalizovaného „černého“ horního stupně v Evropě s názvem Phoebus. Ten je společnou iniciativou MT Aerospace a ArianeGroup, kterou financuje ESA.

Cílem projektu Phoebus je zvýšit kapacitu nosné rakety o dvě tuny snížením hmotnosti horního stupně použitým lehčích materiálů a provedením konstrukčních změn. Zároveň by měl Phoebus snížit výrobní náklady.

Materiály CFRP (Carbon-Fibre Reinforced Plastic) nebo uhlíkové kompozity dovolují realizaci nových konstrukcí a kombinací funkcí, které by s klasickými kovovými materiály nebyly možné. CFRP je odlehčený a na první pohled tmavý materiál, který bude použitý pro kryogenní palivové nádrže, stejně jako pro primární i sekundární struktury stupně Phoebus. Odtud je jeho označení „černý“ horní stupeň.

Navíc jejich výrobní procesy dovolují integrované rozložení, které vede k menšímu množství dílů ve srovnání s podobnými kovovými konstrukcemi. To snižuje výrobní a montážní náklady.

„Mezi technologické výzvy patří vývoj strojů schopných přesného umístění materiálu z uhlíkových kompozitů a identifikace následných optimálních kroků. Uhlíkové vlákno musí odolat extrémně nízkým teplotám kapalného vodíku a kapalného kyslíku, přičemž nesmí docházet k únikům,“ vysvětluje inženýrka pohonných systémů v ESA Kate Underhill.

„Materiál CFRP může být s kyslíkem chemicky velmi reaktivní, takže správný výběr systému vláken a spojovacího materiálu je nesmírně důležitý. Vyladit tuto kompatibilitu je kritickým mezníkem, který jsme v projektu Phoebus dokázali dosáhnout.“

Během experimentů provedených MT Aerospace na testovací stavu, které byly řízené firmou Rheinmetall z německého Unterlüßu, byla testována zmenšená verze nádrže na kapalný kyslík. Při zkouškách byla nádrž naplněna a vypuštěna mnohokrát, tlakována nad operační limity a prověřována nárazy, aby bylo jisté, že v ní nedojde v čistě kyslíkovém prostředí ke vznícení.

Zkušební nádrž byla vybavena celou řadou senzorů monitorujících tlak, teplotu, napětí nebo případné úniky. Analýza výsledků a celkově dobrá strukturální integrita nádrže na kapalný kyslík prověřily tuto technologii.

Dosažený úspěch uvolňuje cestu k dalším aktivitám a naznačuje, že demonstrátor Phoebus je na dobré cestě. Dalším krokem bude aplikace materiálu CFRP na navrženou nádrž kapalného vodíku. Ve finále pak zvětšení na odpovídající velikost a zkouška strukturálního demonstrátoru horního stupně Phoebus v roce 2023.

Tyto aktivity jsou prováděné v rámci programu FLPP (Future Launchers Preparatory Programme) ředitelstvím ESA pro kosmickou dopravu.

Další informace jsou k dispozici na portálu Evropské kosmické agentury (ESA).