Tanks aus Verbundwerkstoffen

Wenn man die Ariane 5 Startstufe umrüstet (Leergewicht 14,1t, davon Triebwerk 2,1t) gewinnt man satte 3,5t Nutzlast! 

Was Ariane 6 angeht, wäre schon schön, wenn den Entscheidern doch noch ein Gehirn wächst. 

Der NASA/Boeing Tank wurde erfolgreich mit flüssigem Wasserstoff gestestet. Er ist 30% leichter als andere Alutanks und 25% günstiger:
http://www.nasa.gov/press/2013/july/nasa-tests-game-changing-composite-cryogenic-fuel-tank/

ws

Ist ja großartig!!

Inwieweit wird diese Bauweise in SLS übernommen? Sind die Ingeneure so flexibel, dass sie die Pläne einfach umzeichnen können, oder kommen solche Tanks erst beim Nachfolger des SLS zum Einsatz? 

Wenn man die Ariane 5 Startstufe umrüstet (Leergewicht 14,1t, davon Triebwerk 2,1t) gewinnt man satte 3,5t Nutzlast! 

Was Ariane 6 angeht, wäre schon schön, wenn den Entscheidern doch noch ein Gehirn wächst. 

öh glaube das ist falsch gerechnet^^

das würde erst mal 3,5t weniger Strukturmasse der Unterstufe bedeuten. Das bedeutet nicht gleichermaßen 3,5t mehr Nutzlast. Es bedeutet eher 3,5t mehr Oberstufe. Wieviel mehr Nutzlast das dann bedeutet, das müsste man ausrechnen. Läuft vielleicht auf 1 t raus oder so, geschätzt

Gut, auch wenn es keine 3,5t sind sollte es doch deutlich mehr als eine Tonne Gewinn sein. Die EPS L10 hat 11,2t, davon 10t Treibstoff, und bringt 21t Nutzlast in den LEO. Ganz grob vereinfacht ist das ein Verhältnis von 1:2 - eine Tonne mehr Sprit 2 Tonnen mehr Nutzlast?

ich bin nicht vom LEO ausgegangen, den wird Ariane vermutlich eh bald nicht mehr anfliegen oder nur selten^^

Ich schon. Da haben wir den Salat. 

In den GTO ist es derzeit die ESC-A. 19,2t, davon 14,6t Treibstoff, Nutzlast GTO 9,6t. Machen wir es wieder vereinfacht - Verhältnis 1,5:1. Gut 2t mehr Treibstoff sollte knapp 1,5t mehr Nutzlast ergeben. Das ist doch was. 

Hallo zusammen und ein paar Fragen:

Wasserstoff ist doch schwer zu lagern weil es diffundiert?
Hat Verbundwerkstoff dagegen bessere Eigenschaften als die Alulegierungen?
Und wenn ja wären damit die Treibstoffdepots im Orbit denkbar?

Grüsse und einen schönen Samstag Abend
rhlu

Wasserstoff kann man damit auch nicht ewig halten.

Bisher war das Problem glaub ich die Wärmedehnung. Kohlefaser hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von quasi null, die Matrix aber einen deutlich größeren. Die Matrix zieht sich bei Abkühlung also zusammen, die Faser bleibt steif => es kommt zur Delamination. Boeing muss das Problem irgendwie gelöst haben. Vermutlich durch eine geschickte Wahl von Matrix und Faser.

Die Erststufe der A5 ist ja schon sehr leicht. Bei der A6 wird der Schub nur unten übertragen, das heisst die Stufe dürfte wohl schwerer werden. Die Delta IV Erststufe wiegt z.B. 21.4t (ohne Triebwerk). D.h. so ein Tank könnte für eine H2-Ariane schon einiges rausholen, damit dürfte man die Rakete insgesamt etwas downscalen für eine gegebene Anforderung. Z.B. bräuchte man wohl kein 2500kn SC Triebwerk. Allerdings profitiert natürlich auch die Feststoff-Variante von einer leichteren Oberstufe.

Also bei der A5 ME Erststufe wären das 3.6t Gewinn, das bringt dann ca. 1/3 mehr Nutzlast, d.h. 1.2t.

Bei der Oberstufe wärens 1.71t ((6250-550)*0.3).

D.h. zusammen rund 2.91t.

Mit 30%, anderorts hiess es 40% leichter, damit wärens dann 1.6+2.28 = 3.88t.

Bei XCOR hat man einen neuen Verbundwerkstoff entwickelt, Namens Fluoropolymer Composite Material (Nonburnite®).

Dieser soll eine weit aus höre Lebenszeit haben und damit eine wirtschaftliche Wiederverwendung ermöglichen.
hier ein Link zum Artikel.

http://www.xcor.com/composites/

Da steht nichts dabei, dass es leichter ist als bisherige Tank-Materialien... Und das würde in keiner Werbung fehlen. Vermutlich ist es also gleich schwer, oder sogar schwerer.

Boeing
Bei Boeing geht es nun munter weiter, es wurde ein größerer Tank mit 5,5m Durchmesser gefertigt. Dieser wird in naher Zukunft ausführlich getestet. Es kamen neuen Materialien und Fertigungslösungen zum Einsatz, so sollten keine Mikrorisse mehr entstehen können, womit H₂ nicht mehr so leicht aus dem Tank heraus diffundieren dürfte.

These tanks promise a 30 percent weight reduction and 25 percent cost savings over the state of the art metallic tanks used today.

Man verspricht sich eine Gewichtseinsparung von rund 30% und eine Kosteneinsparung von ca. 25% zu herkömmlichen Leichtmetalltanks.

We used new composite materials and an integral design capable of withstanding launch vehicle loads.

Durch den Einsatz neuer Materialien und Designlösungen sollte der Tank die Belastungen eines Trägerstarts verkraften.

Video: http://bcove.me/egppncs6


Quellen:
http://www.boeing.com/boeing/Features/2014/03/corp_fuel_tanks_03_18_14.page
http://www.engineering.com/DesignerEdge/DesignerEdgeArticles/ArticleID/7394/NASA-Boeing-Partner-on-Composite-Rocket-Fuel-Tank.aspx



XCOR

Da steht nichts dabei, dass es leichter ist als bisherige Tank-Materialien... Und das würde in keiner Werbung fehlen. Vermutlich ist es also gleich schwer, oder sogar schwerer.

Ist zwar was her aber was solls. Bezüglich des Nonburnite® steht in der XCOR Stellungnahme etwas von leichter, nur keine genauen Angaben. Hier Bitte.

These features, along with the high strength-to-weight ratio typical of composites, make it an enabling technology for building a lighter, cheaper, more robust, space infrastructure, and to do more with any given transportation system.

Hier noch ein Artikel von 2010.
http://www.parabolicarc.com/2010/12/12/nasa-sbir-contract-fund-xcor-composite-fuel-tank-development/

Wie ist denn das nun im Vergleich ?

AlMgxyz hat eine bestimmte Festigkeit und eine bestimme Wasserstoffdiffusionsrate.

CFK kann man dünner und damit leichter machen, ok. Aber die Diffusionsrate ist doch ungleich größer oder? Also muß man eine extra Beschichtung einbringen und erhöht das Gewicht wieder.

Oder hat man inzwischen CFK mit Zusätzen, die die Diffusion drastisch senken bei gleicher Festigkeit?

Wie ist denn das nun im Vergleich ?

AlMgxyz hat eine bestimmte Festigkeit und eine bestimme Wasserstoffdiffusionsrate.

CFK kann man dünner und damit leichter machen, ok. Aber die Diffusionsrate ist doch ungleich größer oder? Also muß man eine extra Beschichtung einbringen und erhöht das Gewicht wieder.

Oder hat man inzwischen CFK mit Zusätzen, die die Diffusion drastisch senken bei gleicher Festigkeit?

... würde mich auch im Detail interessieren.

Allerdings muss man mit CFK den Tank nicht dünner machen, um leichter zu sein. Da reicht schon die geringere Dichte (ca. -33%)

Die Diffusion würde mich ebenfalls interessieren. Und auch, ob das Material langzeitstabil ist. Solche Tanks könnten dann z.B. für MCT gut geeignet sein.

Die Diffusion würde mich ebenfalls interessieren. Und auch, ob das Material langzeitstabil ist. Solche Tanks könnten dann z.B. für MCT gut geeignet sein.

Dazu diesen aktuellen Beitrag:

Bei XCOR hat man einen neuen Verbundwerkstoff entwickelt, Namens Fluoropolymer Composite Material (Nonburnite®).

Dieser soll eine weit aus höre Lebenszeit haben und damit eine wirtschaftliche Wiederverwendung ermöglichen.
hier ein Link zum Artikel.

http://www.xcor.com/composites/

Feuerresistent, isolierend, dicht, belastbar, leicht. Ja, sowas könnte interessant sein auch für MCT, besonders die Oberstufe. Frage ist, ermöglicht XCOR anderen die Nutzung zu akzeptablen Konditionen oder kann man etwas vergleichbares herstellen, ohne Patentrechte zu verletzen?

R2 D2 :

Allerdings muss man mit CFK den Tank nicht dünner machen, um leichter zu sein. Da reicht schon die geringere Dichte (ca. -33%)

Das ist nur bedingt so anwendbar. Metall steckt eher mal starke Vibrationen und Resonanzen und Schläge weg, die reinen Festigkeitswerte von CFK sind nicht immer genügend. Also muß man mehr Material einsetzen oder an anderer Stelle strukturell mehr tun.
Das NonBurnite klingt ganz gut, aber zur "Schüttelfestigkeit" ist nicht soviel zu lesen und Wasserstoff wird nur ein einziges mal am Anfang erwähnt .... warten wirs ab.

R2 D2 :

Zitat

Allerdings muss man mit CFK den Tank nicht dünner machen, um leichter zu sein. Da reicht schon die geringere Dichte (ca. -33%)

Das ist nur bedingt so anwendbar. Metall steckt eher mal starke Vibrationen und Resonanzen und Schläge weg, die reinen Festigkeitswerte von CFK sind nicht immer genügend. Also muß man mehr Material einsetzen oder an anderer Stelle strukturell mehr tun.
Das NonBurnite klingt ganz gut, aber zur "Schüttelfestigkeit" ist nicht soviel zu lesen und Wasserstoff wird nur ein einziges mal am Anfang erwähnt .... warten wirs ab.

Ich weiß, dass man u.U. CFK dicker machen muss.

Aber Du hattest ja geschrieben:

CFK kann man dünner und damit leichter machen, ok.

Nur darauf habe ich mich bezogen...

Ja, war nicht präzise genug ausgedrückt.

Na ja warten wirs ab. Wirklich beeindruckt bin ich dann von einem Wasserstofftank, der wenigstens 15% leichter ist ist als ein Metalltank und trotzdem stabil und diffusionsdicht. Denn macht mal los Jungs

Meine Herren darf ich daran erinnern, dass es sich bei CFK um eine Gruppe von Werkstoffen handelt, welche über unterschiedliche Eigenschaften verfügen. Diese Eigenschaften leiten sich aus den Verwendeten Materialien, sowie der Herstellungsverfahren ab.
Die Tanks von Boeing sind für Wiederverwendung und lange Lagerzeiten von H₂ ausgelegt.

Durch die Temperatur und den Druck bei befühlen von Tanks aus Metalllegierungen, entstehen Mikrorisse. Durch diese kann H₂ leichter diffundieren.

These tanks promise a 30 percent weight reduction and 25 percent cost savings over the state of the art metallic tanks used today.

Was wiegt denn so ein Standard-Oberstufentank etwa? Mir geht's da nur um einen groben Richt wert, damit ich einsortieren kann, ob wir hier über eine Gewichtseinsparung von 100kg oder eher 10to reden...

Einen Standard-Oberstufentank gibt es nicht. Die sind schon recht unterschiedlich.

Für Falcon 9 1.1 gibt es nur Schätzungen. Nach einer Schätzung soll die Oberstufe soll ca. 6t wiegen. Das Triebwerk vielleicht eine halbe Tonne. Also 5,5t für den Rest, hauptsächlich Tank.

Um ein kleines Update zu dem neuen kryogenen Komposittank von Boeing zu geben, der ja bereits von Klausd zu Beginn des Threads vorgestellt wurde:

Der Tank kam am 26. März auf dem Redstone Army Airfield nahe Huntsville mit einer NASA Super Guppy an und wurde entladen, zu seinem Bestimmungsort am NASA Marshall Space Flight Center in Huntsville transportiert, ausgepackt, inspiziert sowie für die ausstehenden Tests vorbereitet.





Seitdem wurden alle Vorbereitungen für die ersten Tests abgeschlossen und der Tank wurde in den strukturellen Teststand verfrachtet.



Die ersten Versuche werden bei Raumtemperatur mit Stickstoff durchgeführt bzw. wurden schon begonnn, um dann in diesem Sommer auf flüssigen Wasserstoff umzusteigen. Über die orangenen metallenen Bereiche werden äußere Strukturbelastungen einstellbar sein, wie sie während eines Starts auftreten.
 
Noch ein paar Hintergrundinfos: Die Arbeiten und Tests erfolgen im Rahmen von NASAs CCTD Projekt (Composite Cryotank Technologies and Demonstration) innerhalb des GCD-Programms (Game Changing Development Program).
Ich persönlich finde es schön, dass die NASA nach dem Reinfall...den Problemen mit dem kryogenen Wasserstofftank aus Verbundmaterial beim X-33 die Flinte nicht ins Korn geworfen hat, sondern einfach eine weitere Reifung der Komposit(prozess)technologie abgewartet hat, um es nun erneut zu versuchen.
Die Verlockungen der in Aussicht gestellten Einsparungen sind halt einfach zu groß....
Ausgelegt wurde der Tank von Boeing offensichtlich auf die Belastungen des etwas größeren SLS-Wasserstofftanks.

Guten Morgen

Für die, die Venture Star nicht so im Fokus hatten...
http://de.wikipedia.org/wiki/Venture_Star
Eines der Probleme bei Venture Star war eben daß der Tank der bei Befüllung mit kryogenen Treibstoffen damals leider delaminiert ist. Also die Schichten hatten sich voneinander gelöst. Hier dürfte man nun weiter sein. Ein schönes Etappenziel.

Viel Grüße

Allerdings muss man auch anmerken, dass das Design der Tanks (aus GFK-Material IM7/997-2) beim Venture-Star Prototypen etwas komplexer und weniger symmetrisch war, als der Tank, den die NASA aktuell testet.





Zu der Geschichte gibt es auch einen netten Artikel bei NSF:

http://www.nasaspaceflight.com/2006/01/x-33venturestar-what-really-happened/