Karbon Elyaf Sorunları Rocket Lab’ı Neutron’un İlk Uçuşunu En Erken 2027’ye Ertelemeye Zorladı

Rocket Lab, ilk aşama yakıt deposunun karbon fiber üretimiyle ilgili sorunlar nedeniyle Neutron fırlatma aracını bir kez daha erteledi.

Neutron, bu malzemeyle zorluk yaşayan ilk roket değil. Geliştiricilerin çoğu birincil yapıları çelik veya alüminyumdan üretir.

Karbon fiberın en ünlü özelliği, son derece yüksek mukavemet/kütle oranıdır. Bir kilogram malzeme, bir kilogram alüminyum veya çelikten daha güçlüdür.

Kısmen ya da tamamen yeniden kullanılabilir olarak tasarlanan roketler için ya da hafif kaldırma sınıfındaki roketler için mühendisler, mevcut olan her kütle tasarrufunu ararlar. Birincil yapıya harcanmayan kütle, yük (payload) için ayrılabilir. Bu sayede aynı yakıt ve motorlara sahip aynı roket, daha ağır ve büyük yükleri fırlatabilir.

Bu avantajlar birden fazla araçta kanıtlandı; en dikkat çeeni de Rocket Lab’in Electron’u oldu. Yaklaşık 100 kez uçmasıyla sınıfının en aktif aracı olup %96 başarı oranına sahiptir. 2018’de yörüngeye ulaşan ilk karbon fiber roket oldu.

Firefly Aerospace’nin Alpha’sı da bu malzemei kullanır. Block 1, yedi uçuş kaydı biriktirdi ve yükseltilmiş Block 2 yakında geliyor. Isar Aerospace’in Spectrum’u yalnızca birkaç kez uçtu ancak ikinci denemesinde yörüngeye ulaştı. Üçü de hafif kaldırma sınıfındadır.

Electron, düşük Mundo yörüngeye (LEO) 300 kilogram olarak ilan edilirken, Alpha ve Spectrum bir tonne olarak ilan ediliyor. Kaybedilen bir kilogram, 20 tonluk bütçeye kıyasla 300 kiloluk bir bütçede daha büyük bir oran oluşturur.

Malzeme bilimi karmaşıktır; karbon fiberın üretimi de öyledir.

Fiber derecesi, kullanılan spesifik türü ifade eder. Bu, daha ucuz alt derecelerden, daha güçlü ancak daha pahalı ve işlenmesi zor üst derecelere kadar uzanır.

Fiber hacim oranı, bitmiş kompozitin ne kadarının reçine değil de karbon fiber olduğu oranıdır. Yüksek oranlar mukavemeti ve sertliği artırır. Aşırı yüksek oranlar parçanın üretimini zorlaştırır. Aşırı düşük oranlar ise fazla reçine bırakarak onu zayıflatır.

Döşeme (layup), fiber katmanlarının yönünü ifade eder. Karbon fiber, fiberin yönü boyunca son derece güçlüdür ancak buna dik yönde daha zayıftır. Bu nedenle bireysel tabakalar (ply), roketin uçuş sırasında yaşadığı farklı yönlü yüklerle başa çıkabilmek için değişken yönlerde döşenir. Yöndeki bu değişiklikler, malzemenin yerleştirilirken bazen görülebilir.

Fiberler manuel el ile döşeme (hand-layup) veya Otomatik Fiber Yerleştirme (Automated Fiber Placement) yöntemiyle döşenebilir.

Manuel el ile döşeme yavaştır, tutarlılığı düşüktür, insan hatasına daha açıktır ve yüksek üretim hızlarına uygun değildir.

Otomatik Fiber Yerleştirme otomatiktir, daha hızlıdır ve daha tutarlıdır; ancak ekipman (tooling) için önemli ölçüde ön yatırım gerektirir.

Karbon fiber önemli ölçüde kütle tasarrufu sağlayabilir. Ancak atmosferik uçuşun hızlarına ve kuvvetlerine maruz kalacak birincil yapı, yüksek standartlarda üretilmelidir.

Yılın başlarında Rocket Lab, ilk tam boyutlu 1. aşama yakıt deposunu test etti. Niteliklendirme (qualification) amaçlı parça, manuel el ile döşeme kullanan üçüncü bir şirket tarafından yapıldı. Bu, Rocket Lab’in kendi büyük Otomatik Fiber Yerleştirme makinesini temin ederken alınan bir program takvimi çözümüydu. Ev içi makine, her zaman son derece tekrarlanabilir bir süreç için uzun vadeli plandı.

Depo, baskı altında tasarım ve üretim yaklaşımını kanıtlamayı amaçlıyordu.

21 Ocak gecesi, depoya su doldurulup basınçlandırıldığı hidrostatik test sırasında patladı.

Peter Beck, arızayı o spesifik parçada kullanılan üçüncü şirketin manuel el ile döşeme sürecine attribüt etti.

Rocket Lab ardından yeni Otomatik Fiber Yerleştirme makinesine geçti. Bu değişiklik, manuel işlemin bıraktığı ekleri ve yerleşimleri (joints and inserts) kaldırma imkanı verdi. Ayrıca ön ve arka kubbelere (domes) daha kalın karbon kompozit uygulama izni de verdi.

Döşeme sonrası kompozit otoklavda kürlenir. Kürlenen ön kubbenin muayenesi, yeni kalın alanlarda küçük hava cepleri—boşluklar (voids) olarak bilinir—gösterdi.

Kalınlık bölümleri temiz şekilde kürlemek daha zordur. Isı ve basınç, reçinenin katmanların arasından itilmesini ve havanın uzaklaştırılmasını zorlamalıdır. Boşluklar mukavemeti tehlikeye atabilir; bu yüzden kalınlaşmış kubbeliler Rocket Lab’in standartlarını karşılayamadı.

Şirket, boşlukların nasıl oluştuğunu inceledi. Beck, Rocket Lab’in ilk denemede doğru süreci yakalamaya çok yakın olduğunu ve sorunun testlerde yeniden üretildiğini belirtti.

Sorun tespit edildi. Onu çözmek için gereken süre, ilk uçuşu en erken 2027’ye itti. Daha geniş pencerenin amacı, önceki hedefleri takip eden tekrarlanan düzeltmelerden kaçınmaktır.

Rocket Lab sıradaki planı olarak ön kubbeyi inşa etmek, kusurlar için analiz etmek ve yeni bir 1. aşama deposu monte etmek. Bu depo, Ocak ayında patlayan parçayla aynı testlere tabi tutulacak.

Beck, ilk iki kilometre taşının yıl sonuna kadar beklendiğini, montaj ve testin ise 2027’nin ilk çeyreğinde yapılacağını söyledi. Flight 1 fırlatma tarihiyle ilgili daha fazla ayrıntının ancak bu adımlardan sonra beklenmesi bekleniyor.

Rocket Lab, büyük karbon fiber roket yapıları inşa ederken sorun yaşayan ilk şirket değil. Neutron; Firefly Aerospace ve Northrop Grumman’ın Eclipse’i ile birlikte kompozit orta kaldırma tasarımlarını denemeye çalışan küçük bir araç grubunun parçasıdır.

SpaceX, bugün Starship olarak bilinen aracı, o zamanlar Big Falcon Rocket (Büyük Yılan Roketi) olarak adlandırıldığı için karbon fiberden inşa etmeyi planlıyordu. Şirket daha sonra maliyet, onarılabilirlik, yüksek sıcaklık performansı ve çeliğin kryojenik sıcaklıklarda mukavemet kazanması nedeniyle çeliği seçti.

Sıcaklık direnci yeniden giriş araçları için de önemlidir. Sıcaklığa daha dayanıklı bir temel malzeme, daha hafif bir ısı kalkanını tolere edebilir. Karbon fiberden elde edilen kütle tasarrufu, gereken ek termal korumayla dengelenebilir.

Bir kez de uçuşmayan tek aşamalı yörünge (SSTO) uzay mekiği VentureStar, sıvı hidrojen deposunda X-33 ölçekli gösteri aracının karbon fiber sorunları yaşadı. Depolar, kompozit kabuklar ve petek öz (honeycomb core) içeren sandviç yapısını kullanıyordu.

Kasım 1999’da, kryojenik yükleme ve boşaltma sonrasında depalardan biri başarısız oldu. Soruşturma birbiriyle etkileşen birkaç sorunu ortaya çıkardı. Bunlar arasında, sıvı hidrojenin petek özün içine sızmasına olanak tanıyan iç kompozit kabuktaki mikrokırılmalar vardı.

Kryojensel pompalama, depo soğuyup ısındıkça hava ve azotu özün içine çekti; burada gazlar sıvılaşarak basınç ve hasar oluşturdu.

Kabuklarla öz arasındaki bağlanma mukavemeti bazı yerlerde zayıftı. Üretim kusurları, bant gibi yabancı cisim kalıntılarını içeriyordu. Hidrojen boşaltıldıktan sonra depo ısındığında, dış kabuk ile öz iç kabuktan ayrıldı.

Karbon fiber hafif kaldırma araçlarında başarıyla kullanılmış ancak orta kaldırma ölçeğinde ya da daha büyüğünde denenmemiştir. Contacto veya yapay zeka için büyük uydu filoları, daha yüksek yük kapasitesi ve uçuş sıklığı talebini artırıyor.

Rocket Lab, şimdiye kadar karbon kompozitten inşa edilen en büyük basınçlı yapıyı niteliklendirmek için çalışıyor.

(Öne Çıkan Görsel: Rocket Lab)