I serbatoi per razzi in plastica rinforzata con le fibre di carbonio sono quasi realtà

I razzi del futuro potranno disporre di serbatoi ultraleggeri fatti con materiale plastico rinforzato con fibre di carbonio, grazie alle ricerche svolte al programma dell’ESA Future Launchers Preparatory Programme.

La tedesca MT Aerospace, azienda leader nel settore, ha dimostrato la fattibilità di un nuovo progetto di serbatoio in scala ridotta realizzato in materiale plastico rinforzato con fibre di carbonio (Carbon Fibre Reinforced Plastic – CFRP), che non solo è a prova di perdita con l’idrogeno liquido, ma è anche compatibile con l’ossigeno liquido senza la necessità di impiegare un rivestimento metallico.

Un serbatoio interamente costruito in CFRP è più leggero di uno costruito in metallo e richiede la lavorazione di poche parti, quindi è più veloce e meno costoso da costruire. Si tratta di un risultato fondamentale, visto che normalmente per lo stoccaggio di propellenti criogenici sono necessarie temperature che possono raggiungere i −253 °C, per le quali si richiedono serbatoi dotati di un rivestimento metallico a prova di perdita, con o senza una copertura in materiale composito.

Nel corso di questi test il serbatoio è stato riempito e svuotato molte volte, pressurizzato al di là dei suoi limiti operativi e sottoposto a shock meccanici per verificare l’assenza di ignizioni nel serbatoio dell’ossigeno. I sensori hanno monitorato la pressione, la resistenza alla deformazione, le temperature e le possibili perdite. Le analisi dei risultati dei test e la buona integrità strutturale generale del serbatoio hanno validato questa tecnologia per il suo impiego in un upper stage Phoebus.

La campagna di test si è svolta in diversi stadi per il fatto che l’idrogeno deve essere maneggiato e stoccato con particolare attenzione: basti ricordare che questo elemento passa allo stato liquido alla temperatura di −253,15 °C. L’oggetto della prova, un serbatoio del diametro di 400 mm, è stato prima sottoposto a un test di tenuta con l’elio a temperatura ambiente e alla temperatura di −196,15 °C. Quindi è stato riempito con idrogeno criogenico. Una volta terminato il riempimento, il serbatoio è stato pressurizzato al di là della pressione supercritica dell’idrogeno, per raggiungere una condizione di stress simile a quella a cui sarebbe soggetto durante il funzionamento del razzo. MT Aerospace è stata quindi in grado di dimostrare che il suo serbatoio in CFRP rispetta i requisiti di tenuta all’idrogeno liquido per tutta la durata del processo di carico, anche se esposto a una combinazione di carichi termici criogenici con simultanei stress meccanici elevati. Gli ulteriori cicli di riempimento e svuotamento hanno evidenziato l’eccellente comportamento del serbatoio.

«I serbatoi per i propellenti sono elementi critici riguardo alla sicurezza nei sistemi propulsivi», ha dichiarato Hans Steininger, amministratore delegato di MT Aerospace. «Siamo riusciti a dimostrare che un serbatoio pressurizzato a elevata performance costruito con tecnologia CFRP è in grado di sopportare gli stress prodotti dai liquidi criogenici. Nel futuro, l’impiego di serbatoi in CFRP non solo potrebbe aumentare la sicurezza dei lanci, ma potrebbe anche dare la possibilità di riuscire a sfruttare il vantaggio di una massa inferiore rispetto ai tradizionali serbatoi metallici».

Kate Underhill, project manager per i dimostratori degli upper stage e dei sistemi propulsivi per il Future Launchers Preparatory Programme dell’ESA, ha commentato: «si tratta di un notevole passo in avanti per le tecnologie di realizzazione di serbatoi criogenici; MT Aerospace ha trovato uno specifico composito in carbonio e una particolare tecnologia di lavorazione che le permetterà di prendere in considerazione nuove architetture e nuove combinazioni funzionali per la realizzazione di stadi superiori (upper stages) nei quali non è possibile impiegare i metalli».
«Il metallo è a tenuta stagna e per ricreare questa caratteristica con i compositi in carbonio è stata necessaria una complessa trama di fibre di carbonio e una resina speciale. Il materiale ha resistito alle temperature criogeniche, ai cicli di pressione e alle sostanze reattive, nell’arco di diversi test separati», ha concluso.

Di seguito a questi test, presto verranno costruiti dei serbatoi dimostratori su piccola scala, dotati di protezione termica integrata per l’esecuzione di ulteriori prove. I dati ottenuti verranno impiegati per lo sviluppo di un dimostratore in scala reale per un futuro upper stage altamente ottimizzato, chiamato Phoebus.

Phoebus sarà largo 3,5 m e sarà dotato di serbatoi per l’ossigeno e l’idrogeno, di protezione termica, di elementi di assemblaggio strutturale e possederà anche avioniche, strutture e sistema propulsivo di nuova concezione. Il CFRP verrà applicato nei serbatoi, nelle strutture di interfaccia fra i due serbatoi e il cilindro esterno, che fungerà da rivestimento esterno dello stadio superiore.

Nel 2023 il dimostratore Phoebus verrà testato con i fluidi criogenici, per confermare le prestazioni funzionali delle tecnologie e dei metodi produttivi, con particolare attenzione alla loro efficienza economica, nell’ambito di un nuovo contratto per l’avanzamento dello sviluppo di upper stage ottimizzati.

«Questo è un eccellente esempio di come il supporto fornito da ESA per lo sviluppo di tecnologie all’avanguardia porti a importanti scoperte. Questo nuovo materiale leggero a base di carbonio potrebbe consentire la costruzione di uno stadio superiore di Ariane 6 di due tonnellate più leggero, rendendo questa differenza di peso teoricamente disponibile per i carichi utili», ha spiegato Daniel Neuenschwander, direttore del programma Space Transportation dell’agenzia spaziale europea.

Il progetto Phoebus iniziato nel maggio 2019, è un’iniziativa congiunta fra MT Aerospace e ArianeGroup in Germania, per la validazione delle tecnologie con il supporto di ESA.

Fonti: ESA, MT Aerospace