Tests erproben Kohlefaser-Treibstofftank für Phoebus-Oberstufe

Das Hauptziel des Phoebus-Projekts ist es, die Nutzlastleistung der Trägerrakete um mehr als zwei Tonnen zu erhöhen, indem die Masse der Oberstufe durch ein neues Design und leichtere Materialien reduziert wird. Gleichzeitig sollen mit Phoebus auch die Produktionskosten gesenkt werden.

Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK), oder Kohlefaser, ermöglichen neue Architekturen und Funktionskombinationen, die mit Werkstoffen aus Metall nicht möglich sind. CFK ist leicht und von dunkler Farbe und wird für die kryogenen Treibstofftanks sowie die Primär- und Sekundärstrukturen von Phoebus verwendet, daher auch der Name "schwarze" Oberstufe.

Darüber hinaus ermöglicht das Fertigungsverfahren ein integriertes Layout, das zu einer geringeren Anzahl von Bauteilen als bei einer vergleichbaren Metall-Konfiguration führt und damit die Produktions- und Montagekosten reduziert.

"Zu den technologischen Herausforderungen gehören die Entwicklung der Maschinenfähigkeit, die eine hochpräzise Platzierung der Kohlenstoffverbundwerkstoffe ermöglicht, und die Identifizierung der optimalen nachfolgenden Aushärtungsschritte, um den Verbundstoff zu verfestigen. Die Kohlefaser muss den extrem niedrigen Temperaturen von flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff als Treibstoff standhalten und gleichzeitig sicherstellen, dass keine Lecks entstehen", erklärt Kate Underhill, Triebwerks-Ingenieurin bei der ESA.

"CFK-Material kann mit Sauerstoff chemisch stark reagieren, daher ist die richtige Auswahl eines geeigneten Materialsystems aus Fasern und Harz eine besonders anspruchsvolle Aufgabe. Die Beherrschung dieser Kompatibilität ist ein entscheidender Meilenstein, der nun im Rahmen des Phoebus-Projekts erreicht wurde."

Bei Versuchen von MT Aerospace auf einem Testgelände von Rheinmetall in Unterlüß, Deutschland, wurde ein kleinskalierter CFK-Tank mit flüssigem Sauerstoff getestet. Während dieser Tests wurde der Tank mehrfach befüllt und entleert, über die Betriebsgrenzen hinaus unter Druck gesetzt und einem Schocktest unterzogen, um sicherzustellen, dass der Sauerstofftank sich nicht entzündet. Der Testtank war mit einer Vielzahl von Sensoren ausgestattet, um Druck, Temperatur, Dehnung oder eine mögliche Leckage zu überwachen. Die Analyse der Ergebnisse und die insgesamt gute strukturelle Integrität des Flüssigsauerstofftanks bestätigen die Technologie. Diese Leistung macht den Weg für weitere Aktivitäten frei und zeigt, dass der Phoebus-Demonstrator auf dem richtigen Weg ist.

Die nächsten Schritte sind die Anwendung des CFK-Materials auf ein leckdichtes Design des Flüssigwasserstofftanks und schließlich ein angemessenes Hochskalieren sowie Bodentests des nahezu maßstabsgetreuen Strukturdemonstrators der Phoebus-Oberstufe im Jahr 2023.

Diese Aktivitäten werden im Rahmen des Future Launchers Preparatory Programme des ESA Direktorats für Raumtransport durchgeführt.