Exploring the use of polymers as metal replacements in space vehicle structures

Abstract

Esta dissertação de mestrado investiga a aplicação inovadora de polímeros em tecnologias aeroespaciais, respondendo à necessidade da indústria de materiais que combinem leveza com um desempenho durável em condições extremas. À medida que o design de veículos aeroespaciais evolui para maior eficiência e menor impacto ambiental, a substituição de componentes metálicos por materiais poliméricos avançados apresenta uma oportunidade significativa para pesquisa e desenvolvimento pioneiros. Este trabalho tem como base um projeto que propõe a substituição de uma estrutura no interior de um lançador espacial, por materiais plásticos. A pesquisa inicia-se com uma revisão das aplicações contemporâneas de materiais no setor aeroespacial, identificando os critérios de desempenho essenciais e os desafios ambientais que esses materiais devem suportar. Inclui também uma análise precisa dos fatores de tensão que afetam a estrutura metálica original, estabelecendo as bases para o desenho de uma nova estrutura otimizada para injeção. Este projeto concentra-se em três polímeros principais - Polipropileno (PP), Acrilonitrila Butadieno Estireno-Policarbonato (ABS-PC) e Poli(éter-éter-cetona) (PEEK) - realizando simulações detalhadas para avaliar o comportamento de cada material sob acelerações e condições térmicas específicas. Estas simulações são vitais para determinar a praticabilidade destes polímeros em aplicações aeroespaciais, analisando fatores como stress, deformação e deslocamento em cenários operacionais simulados. Um estudo comparativo esclarece os benefícios e limitações destes materiais. O PP é vantajoso para aplicações internas onde a tensão é menor e a redução de custos é essencial. O ABS-PC proporciona uma opção equilibrada para componentes que requerem propriedades mecânicas robustas e resistência térmica moderada. Por último, o PEEK é identificado como particularmente adequado para aplicações estruturais de alta carga, devido à sua excelente resistência e estabilidade térmica. A dissertação conclui com uma discussão sobre as reduções de massa alcançáveis através da integração destes polímeros, enfatizando uma redução notável de até 49% na massa destes componentes aeroespaciais, destacando assim os benefícios substanciais da integração de polímeros nesta indústria.

This master's dissertation explores the innovative application of engineering polymers within aerospace technologies, addressing the industry's demand for materials that merge lightness with durable performance in extreme conditions. As designs of aerospace vehicles advance towards enhanced efficiency and minimal environmental impact, replacing metal components with sophisticated polymeric materials presents a significant opportunity for groundbreaking research and development. Central to this dissertation is a project that proposes the replacement of a structural component within a spacecraft launcher, with plastic materials. The research initiates with a review of the contemporary applications of materials in the aerospace sector, pinpointing essential performance criteria and environmental challenges that these materials must endure. It also involves a precise analysis of the stress factors affecting the original metallic structure, setting the groundwork for designing a new structure optimised for injection moulding. This research project focuses on three primary polymers—Polypropylene (PP), Acrylonitrile Butadiene Styrene-Polycarbonate (ABS-PC), and Polyetheretherketone (PEEK)—conducting intricate simulations to evaluate each material's behaviour under stress and thermal conditions. These simulations are vital to determine the practicality of these polymers in aerospace applications, analysing factors such as stress, strain, and displacement under simulated operational scenarios. A comparative study of these materials clarifies their unique benefits and limitations. PP is advantageous for internal applications where the stress is lower and cost reduction is essential. ABS-PC provides a balanced option for components that require robust mechanical properties and moderate thermal resistance. Lastly, PEEK is identified as particularly suitable for high-load structural applications, due to its excellent strength and thermal stability. The dissertation culminates in a discussion on the potential mass reductions achievable through the integration of these polymers, emphasising a notable reduction of up to 49% in the mass of these aerospace components, thereby underscoring the substantial benefits of polymer integration in this industry.