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复合引擎推力框架(ETF)

发动机推力框架(ETF)是由空中客车防御和空间开发的火箭结构构件。ETF通常位于下级或第一级火箭模块和上部或第二级火箭模块之间。应用是热和机械非常苛刻的。ETF目前由金属材料制成,但空中客车防御和空间正在评估将其转换为复合材料的可行性。插图:苏珊kraus

Editor’s note: The views expressed herein can in no way be taken to reflect the official opinion of the European Space Agency.

几乎每个空间发射车都旨在将人员和货物送入或超越低地轨道,包括一个具有两个或多个舞台设计的火箭。最低和最大的阶段提供了推动火箭的初始推力,并通过发射垫和较低的气氛,通过耐空最大。由于火箭进入上层大气,并且在该下阶段的燃料中花费之后,下级的整个结构被分离并倒回地球。

此时,发射车辆第二阶段的第二轮火箭被点燃并推动车辆的其余行程。并且,根据有效载荷的质量和使命的距离和持续时间,设计中可以包括在设计中的第三阶段火箭,以帮助进一步提取有效载荷。在任何情况下,今天使用或开发的几乎每个发射车辆都包含至少两个阶段。

当然,发动车辆中的复合用途不是新的。特别是发射车身,特别是对碳纤维结构进行了广泛和密集的使用,由于它们提供的重量保存和强度属性,使得具有吸引力。也就是说,仍然存在由金属制成的发射车辆上的几个部件和结构,因此是用于转换成复合材料的候选者 - 主要符合有效载荷容量的兴趣。该类别中的一种这样的结构是发射器的上部(最后)级的发动机推力框架(ETF)。

Engine thrust frame

The ETF is a structure that is typically located at the bottom of the first or upper stages of a launch vehicle. The upper part of the structure joins with the fuel storage tank of the stage, while the lower part connects to the engine (or engines) itself.

在许多发动车辆中,来自罐的液体燃料通过ETF并进入发动机,并且将几块硬件连接到ETF以监控发动机健康并确保正确的操作。因此,除了握住发动机的结构目标之外,ETF还必须提供设备支持功能并传输其推力。

空中客车防御和空间荷兰(空中客车DS, Leiden荷兰),识别有机会将ETF转换为从金属到复合结构的上阶段转换ETF,最近与荷兰皇家航空航天中心 - NLR(Marknesse)一起设计,开发,原型和测试碳纤维ETF这两个组织希望很快就会在发射车上找到申请。该活动由欧洲航天局(ESA,巴黎,法国)资助,并根据其未来发射师筹备计划(FLPP)进行。

发动机推力框架(ETF)设计概念,外表面

为了测试ETF中的复合材料,空中客车与NLR一起开发1:3次址版本,如图所示。这种设计渲染显示外表面,使用转向牵引自动纤维放置(AFP)制造。ETF受到大量机电和温度负载,可以构成显着的设计和工程挑战。照片学分:空中客车防御和空间

Being a thrust frame is not easy

与大多数金属到复合的转换一样,复合材料只能基于优点赢得ETF,这意味着复合解决方案必须与金属前任一样或更具成本效益,并专门满足或超过金属性能指标。大量的。ETF的性能指标并不是微不足道的。

Airbus DS的Systems工程师Javad Fatemi,在本组织的Leiden工作,荷兰,设施,据说楼上ETF面临着许多性能,强度和僵硬要求:

  • 提供将发动机安装到上级上的附件
  • 将发动机推向上级和有效载荷适配器
  • Transmit loads during ballistic/coasting and ground phase
  • 有助于整体僵硬
  • Provide accommodation, support and fixation for equipment attached/fixed to the ETF
  • Provide the anchorage and enable the load transfer of the servo-actuators for the steering and control of the engine nozzle.

Fatemi补充说,“靠近顶环的ETF的上部区域是强度驱动的。这是由于层压板中的高热引起的应力由于每个层的热膨胀系数[CTE]的差异,以及CFRP裙部和铝顶环之间的CTE差异[目前最多发射器燃油罐是铝制的。ETF必须保证所需的轴向和弯曲刚度,这是火箭的上阶段的引导,导航和控制[GNC]系统所需的轴向和弯曲刚度。“除了热感应负载和接地载荷之外,施加到ETF的主要负载是发动机推力载荷,伺服驱动器负载和设备的惯性负载。

与ETF相关的良好的温度挑战。NLR的高级科学家Henri De Vries说,在ETF顶部的温度,在其符合上阶段的情况下可以低至-238°C,因为燃料通常存储在低温温度下;距离不到两米,其中ETF配合发动机,温度可以为50°C。“这是一个非常短的距离,高温梯度,”De Vries说。

Still, notes Fatemi, a composite ETF that meets the mechanical requirements, reduces cost减轻体重是非常有吸引力的。“保存的每公斤重量都达到了有效载荷,”Fatemi说。“我们获得更多的有效载荷以获得更少的成本,这是至关重要的。”

在空中客车DS NL和NLR之间划分复合ETF的开发。空中客车DS NL将提供系统要求和设计,设计模拟和预测和物理测试对预测性能的相关性。NLR将提供材料和加工专业知识并进行制造。这项工作中的大部分由De Vries和Wilco Gerrits,高级研发工程师和NLR计划经理领导。

Engine thrust frame (ETF) design concept, inner surface

ETF包括两种复合结构,其设计为通过牵引AFP制造的硬化,结构外皮,并且将整体预制件加强筋共固化到内表面中。照片学分:空中客车防御和空间

Fatemi表示,设计空中客车DS NL为ETF定居了一系列整体,预先形成的加强筋,共同固化到皮肤内表面中的加强结构皮。此外,ETF设计有四个矩形切口,位于圆锥结构的窄端附近;最小的一个是大约350 x 350毫米,最大的一个约为900 x 400毫米。在其他事情中,需要切口,其中燃料管往发动机。

设计ETF,选择材料和开发制造技术将单独管理。此外,Fatemi表示,Fatemi表示,该决定是在1:3级尺寸为1.55米的尺寸和0.57米高的1:3次船舶版本上进行评估。This would require a reduction in some design elements — e.g., stringers reduced from 40 to 22, thickness reduced by half, one cutout instead of four — but would provide the data needed to assess the overall viability of the design while being a cost-effective project.

Engine thrust frame (ETF), finished prototype, interior view

ETF子级版本的成品原型具有22个内部加强件,而不是全尺寸版本的40。较小的结构也不允许在内部皮肤上包含集成的网格加强件。照片学分:空中客车防御和空间

复杂的皮肤

皮肤将被证明是设计最具挑战性的部分。GERRITS表示,NLR提前决定,它将采用自动化纤维放置(AFP)在一个高压釜(OOA)过程中,这与部件的机械和温度要求相结合,引导了材料选择过程。De Vries说,热循环,微裂纹和屈曲和屈曲是主要问题。此外,他注意到,高度加强的形式倾向于微裂纹,因此刚度驱动的设计参数仅提高了这一挑战。

最初评估了六种材料;GERRITS表示,NLR和空中客车DS NL最终解决了包含的预浸料exexcel.'s(斯坦福,康涅狄格州,美国)IM7中间模量(IM)碳纤维和Solvay Composite Materials’ (Alpharetta, Ga., U.S.) CYCOM 5320-1 toughened epoxy.

选择材料,下一个挑战是应用它。使用AFP在锥形结构上,例如ETF要求使用从ETF的宽端以直边的角度使用的扭转截头锥形部分。由NLR开发的特殊脚本作为用于优化ETF的FE模型的一部分,为每个转向帘布层产生具有优选光纤方向的矢量字段。光纤放置仿真软件将矢量场翻译成纤维放置路径,然后是光纤放置机器人头,考虑到所选材料的制造限制(0.25英寸宽带丝束)。与原始传染媒介场比较的制造限制(例如,最小转向半径)引起的AFP模拟的偏差被反馈给FEM以关闭最终设计回路,以获得优化ETF的结构行为的最佳预测。为皮肤放置的每个层都被沿着帘布层的相反方向转向。

GERRITS表示,NLR评估了使用A 0.125和0.25英寸的转向和应用Coriolis(Queven,法国)八丝AFP机器。Fatemi说,使用NLR和其他人的空中客车DS已经花了八年的牵引转向的研究,学习如何避免转向的圈,隙和皱纹可以创造。

“我们不得不进行微调光纤放置,以满足刚度要求,”Gerrits说明。“整个拼图为设计优化[NLR零件]是找到适合调整按钮以调整失败模式的定时 - 在我们的示例中,Striper在Stringer中的加强筋与物料故障的屈曲。在达到最终负载后,两者都是最佳的。修改第一是影响另一个。最后,发现了一种非常接近的所有失效模式,但在达到最终负载之后。那是整个拼图。如何处理外部和内部压力,使复合材料不扣。“

Moreover, Gerrits says, manufacture of the 1:3 subscale design presented challenges of its own. “Manufacturing constraints are not scalable when working with the same material [0.25-inch tape] and technology [AFP],” he says. “The challenge was to design a 1:3 scaled ETF that behaves the same under loading at cryogenic conditions as the full scale [design], while respecting the not-scalable manufacturing constraints in combination with scaled geometry, which gave a higher degree of curvature.”

Engine thrust frame (ETF), smart overlapping demo panel

该测试面板显示了“智能重叠”技术,即NLR为ETF全规模版本的僵硬的结构皮肤开发。智能重叠涉及AFP的战略使用来构建一系列集成的方形网格加强筋。照片学分:空中客车防御和空间

智能重叠

单独设计和制造的内部结构,包括在1:3设计中的22个桁条,1:1设计中的40个。1:1设计还设想每个纵梁将固定在碳纤维层压板上,该碳纤维层压板具有一系列集成的方形网格加强筋,使用NLR称之为“智能重叠”制造。

在智能重叠中,AFP机器执行三个基本任务。首先是它落下了一个或多个连续的碳纤维。接下来,AFP系统被编程为在造型的模式中切割碳截面,从而有效地产生100×100毫米拖无线的正方形。这些正方形被光纤放置的贴片覆盖,这些贴片略大于它们覆盖的平方,在相同的平方模式中产生重叠。这些重叠增加了局部层压厚度,形成集成的方形网格加强件。

在这些步骤之间,将连续的丝束放置在整个方块上,这产生额外的高度和刚度,并在每个方形的边缘产生脊。随着更多的丝束放置,该脊的高度增长,变得更加明显并完成方形网格加强筋。GERRITS:“只要重叠具有足够的长度,就可以保持负载过渡,差异差异是加入额外的材料[厚度],导致层压板的屈曲刚度增加。”

Airbus, NLR and the ESA logos

Airbus Defence and Space Netherlands, the Royal Netherlands Aerospace Centre – NLR and the European Space Agency collaborated on development of the subscale ETF.

The lack of space in the 1:3 ETF design did not allow NLR to build these stiffeners in the structure it fabricated, but Gerrits and de Vries say that their team did fabricate single, curved compression panels that incorporated such grid stiffeners in between blade stiffeners. Tests of these structures indicate that the 1:1 design would benefit greatly from such a design by increasing post-buckling stiffness of the skin by 5%, which was sufficient for the current design. Gerrits says higher rates are possible by further increasing the height of the integrated grid stiffeners.

U-sh衬这grid-stiffened内在皮肤aped stringers, preformed via a hot-forming process and positioned with caul plates and stringer stiffeners. This entire inner structure was then nested into the inner surface of the outer skin, which in turn was nested into a female mold. This complete assembly was then vacuum bagged and oven cured to create the final co-cured structure.

Fatemi says the results of the design and fabrication of a 1:3 version of the ETF were promising enough that the fabrication of a 1:1 design is warranted. Airbus Defence and Space Netherlands is now consulting with launch vehicle manufacturers to assess the composite ETF’s viability in next-generation rocket designs.

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