美國最新研制的無內襯全復合材料低溫壓力容器

付 麗 石宇萌 趙崢嶸 李雨燦 康開華

綜述·專稿

美國最新研制的無內襯全復合材料低溫壓力容器

付 麗1石宇萌1趙崢嶸2李雨燦3康開華1

（1. 北京航天長征科技信息研究所，北京 100076；2. 航天材料及工藝研究所，北京 100076；3. 航天萬源實業(yè)有限公司，北京 100076）

介紹美國最新研制的無內襯全復合材料低溫壓力容器。概述了壓力容器的發(fā)展以及復合材料壓力容器的主要分類。闡述了美國ICT公司開展的低溫全復合材料壓力容器的研制情況，以低溫球形貯箱（CryoSphere）的研制為重點，從貯箱材料、制造工藝和試驗情況三方面介紹，并闡明了該型貯箱的后續(xù)研究計劃。

復合材料；壓力容器；低溫；球形貯箱

1 引言

從壓力容器的發(fā)展歷程來看，壓力容器通常分為以下5類，如表1所示。

表1 壓力容器的基本分類[1]

無內襯復合材料壓力容器（即V型壓力容器）一直是設計碳纖維復合材料壓力容器的目標。傳統(tǒng)上，I至IV類型的壓力容器都采用了一定百分比的金屬材料，至少采用金屬內襯間隔所貯存的氣體或液體與復合材料（如IV型壓力容器）。貯箱作為壓力容器的一類，與金屬貯箱相比，復合材料貯箱在重量和成本方面具有顯著優(yōu)勢，取消金屬部件可以大大減輕貯箱的重量。研究表明，復合材料應用于運載器貯箱可使結構減重20%～40%。不僅可以降低運載火箭的成本，還可以增加有效載荷運載能力。復合材料貯箱是未來航天運載器貯箱材料發(fā)展的方向之一[2]。

目前，復合材料壓力容器主要分為兩大類：一是含內襯復合材料壓力容器，二是無內襯復合材料壓力容器，即全復合材料壓力容器。這兩類壓力容器都在國外的航天器上得到過應用研究，具體情況見表2。

表2 國外航天器上的復合材料壓力容器

含內襯復合材料壓力容器，存在內襯可能失效的問題，如X-33碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料液氫貯箱。1999年，馬歇爾航天飛行中心對X-33液氫貯箱進行了地面試驗，試驗中，箱體外襯層和蜂窩夾心層與內襯層分離，導致試驗失敗。試驗失敗的部分原因是復合材料內襯層的聚合物基體產生了微裂紋[4]。

無內襯全復合材料壓力容器取消了內襯，進一步減小了貯箱質量，避免了內襯失效，但也存在微裂紋問題。全復合材料低溫壓力容器，尤其是球形壓力容器，因其體積小，被認為是實現長期太空探索和生存的關鍵技術。然而，全復合材料液氮或液氧壓力容器往往會引發(fā)層壓板微裂紋這一難以解決的問題。由于復合材料層壓板暴露于極端溫度（極端低溫）時，各層之間的熱膨脹系數（CTE）差異會導致開裂和泄漏。許多樹脂在低溫下也會變脆，從而加劇了這一問題。

雖然許多航天機構（如NASA）開發(fā)的月球著陸器都采用了球形設計，但目前為止，采用的都是質量更重、燃燒效率更低的金屬球體或球形金屬復合材料纏繞壓力容器(COPV)。因此，研制全復合材料壓力容器成為壓力容器制造商爭相追求的終極目標。

2 美國ICT公司研制的全復合材料壓力容器

2020年4月，美國Infinite Composites Technologies （ICT）公司宣布開發(fā)出球形無內襯全復合材料低溫壓力容器——低溫球形貯箱（CryoSphere），解決了微裂紋問題，可用于火箭低溫推進劑貯存。介紹了ICT公司無內襯全復合材料壓力容器的研制情況。

2.1 ICT公司概況

ICT公司成立于2010年，前身是CleanNG LL（主要生產天然氣汽車的貯氣壓力容器），是美國唯一一家通過AS9100D和ISO 9001：2015認證的無內襯復合材料壓力容器制造商，可以設計、開發(fā)和制造先進的貯存系統(tǒng)。該公司致力于顛覆復合材料壓力容器技術，使復合材料壓力容器能夠廣泛應用于太空探索和可持續(xù)性空間運輸。與傳統(tǒng)的航天器壓力容器相比，該公司簡化了全復合材料設計，通過減少質量、成本和交付時間，為存儲壓縮和低溫流體提供了最佳解決方案。2016年，公司更名為Infinite Composites Technologies，自此，ICT公司主要專注于商業(yè)航天項目。

2.2 全復合材料低溫壓力容器的研制

在開展低溫球形貯箱（CryoSphere）研制前，ICT公司積累了大量經驗。

2013年，該公司向美國俄克拉荷馬州申請了資金，并從美國科學技術進步中心（OCAST）獲得了一筆為期三年的30萬美元的資金，用于低溫貯箱材料特性和材料測試。這個項目取得了一定的成功，找到了一些不錯的候選材料，因此，公司繼續(xù)推進這一方案，并開始申請其他項目。

2018年，ICT公司向美國國家航空航天局（NASA）約翰遜航天中心推出了低溫貯箱方案，隨后開始了一項復合材料低溫貯箱快速開發(fā)項目，該貯箱將用于月球著陸器。該著陸器類似于NASA之前研發(fā)的Morpheus垂直起降（VTVL）測試型著陸器。要求貯箱能夠承受10次壓力為689.48kPa的液氮循環(huán)，測試期間溫度下降到-178.89℃，然后又回到環(huán)境溫度。此外，在每個液氮循環(huán)之間進行30min的氦氣檢查，期間貯箱壓力的下降不得超過68.95kPa，并且需要承受6894.76kPa（±689.48kPa）的循環(huán)后低溫沖擊。該圓柱形低溫容器的第一輪測試取得了部分成功，僅經歷了五次低溫循環(huán)，隨后開始泄漏，問題在于層壓板中的微裂紋。完成測試后，研制團隊重新將工作重點放在貯箱設計上。

ICT公司目前的產品主要有兩類，一類是成品壓力容器infintie CPV（infinite Composite Pressure Vessel ，iCPV），已經投產應用；一類是低溫球形貯箱（CryoSphere），正在研制中，未來有望用于月球著陸器。

2.2.1 InfintieCPV壓力容器

Infinite CPV是一款V型無襯層復合材料壓力容器，采用圓柱形形狀（見圖1）。據ICT公司表示，圓柱形Infinite CPV壓力容器已經集成到2020年發(fā)射運載火箭中。出于保密原因，ICT公司沒有透露產品的具體去向[3]。Infinite CPV（iCPV）是一種簡化的全復合材料設計，以最小的重量實現了最大的燃料存儲容量。對于需要在給定空間內最大程度地增加燃料或對重量非常敏感的客戶來說，iCPV是理想的選擇。 iCPV的最佳性能參數參見表3。

圖1 infiniteCPV壓力容器

表3 iCPV的最佳性能參數[4]

2.2.2 低溫球形貯箱

a. 貯箱材料

低溫球形貯箱（CryoSphere）本質上是infintieCPV壓力容器的進化。據ICT公司表示，低溫球形貯箱（CryoSphere）的核心技術是材料[3]。

CryoSphere采用的是日本東麗（Toray）公司的T800碳纖維和環(huán)氧樹脂。為了解決微裂紋，ICT公司在化學增韌環(huán)氧樹脂基體（已申請專利）中迭代測試不同濃度的添加劑。過程中研究小組發(fā)現了兩種添加劑的組合，使貯箱在再次測試時可以滿足熱要求。其中一種添加劑就是石墨烯[3]。

該石墨烯由應用石墨烯材料（Applied Graphene Materials）公司提供，作為納米級的機械增強材料，石墨烯薄片在纖維之間拉伸，阻礙了層壓板中裂紋的形成，還提高了層間鍵合的強度。

此外，基體中還摻入了其他專有添加劑，使層壓板在低溫下更具延展性，并使層壓板具備更好的隔熱性能。

b. 貯箱制造工藝

CryoSphere通過纖維纏繞制成，在室溫下固化，然后在ICT公司位于塔爾薩工廠的工業(yè)烤箱（即高壓釜）中進行后固化。采用的設備和制造工藝簡單，可大大降低制造成本。

此外，球形設計本身也是一個挑戰(zhàn)。制造期間，球形表面比圓柱形表面更容易產生纖維滑移，這是由于所需的纏繞角度以及心軸的表面光潔度無法產生足夠的摩擦力而導致，使纖維控制和鋪放都很困難[3]。

但是，球形設計還有一個意外的好處，即有助于解決微裂紋問題。研究團隊在早期設計迭代中發(fā)現，由于加注過程持續(xù)1h，-178.89℃的液氮注入貯箱底部，貯箱頂部的氣態(tài)氮為-95.56℃，導致箱底和箱頂之間的溫差約為65.56℃。當層壓板上的溫度梯度非常大時，會導致破裂。而采用球形設計，使得貯箱頂部和底部之間的溫度梯度減小了，從而有助于避免微裂紋[3]。

c. 貯箱試驗情況

2019年底，ICT公司與NASA肯尼迪航天中心簽訂合同，提供了兩個CryoSpheres球形低溫貯箱測試，其尺寸僅為Morpheus著陸器圓柱形貯箱的一半，見圖2。CryoSpheres完成了所有的熱循環(huán)測試，并且，在每個循環(huán)之間氦氣檢查，確保沒有形成微裂紋。此外，還有其他三家供應商爭奪該合同，但是直到ICT公司完成測試時，其他供應商甚至還沒有研制出第一個貯箱原型。

圖2 測試前后的CryoSpheres球形低溫貯箱

2.3 未來研究計劃

ICT公司的發(fā)展離不開各方的資助。ICT公司還獲得了NASA 材料國際空間站（Materials International Space Station Experiment, MISSE）計劃的資助，計劃將材料發(fā)送到國際空間站（ISS）實驗。為此，ICT建造了直徑63.5mm的球體壓力容器，選擇該尺寸主要是出于測試方便的目的，這種尺寸的球體可應用于機器人氣動系統(tǒng)。

2020年2月，ICT公司向NASA蘭利高級研究中心提供了5個CryoSphere。最初計劃于2020年8月執(zhí)行MISSE發(fā)射到國際空間站，但是，目前已經推遲到了11月。

到達國際空間站后，CryoSphere將被放置在空間站的外部，并在其上安裝輻射傳感器，大約六個月的研究，測試材料在繞地球旋轉和直接暴露于熱和輻射下的耐久力。如果測試成功，ICT公司將把CryoSpheres收回準其他低溫測試，并評估輻射對材料的影響，主要考慮的是樹脂中的化學鍵受到什么影響。測試后，下一步就是飛行資格認證。ICT公司已經根據美國航空航天學會（AIAA）S-081B標準完成了大約一半的資格測試，預計其余的測試將在2020年第三季度末完成。ICT公司計劃將貯箱直徑擴大到1219.2mm，是NASA正在開發(fā)的商用月球著陸器的尺寸。如該項技術得以實現，對太空探索和可持續(xù)運輸具有革新意義。

3 結束語

與金屬壓力容器相比，復合材料壓力容器具有顯著的成本和制造優(yōu)勢。復合材料壓力容器作為一種前沿技術在航天領域具有廣闊的發(fā)展前景。介紹了美國ICT公司復合材料壓力容器的研制情況，ICT公司是美國唯一一家通過AS9100D和ISO 9001：2015認證的無內襯復合材料壓力容器制造商，從技術成就來看，ICT公司的競爭對手一直在嘗試開發(fā)該技術超過15年，但沒有成功。ICT公司的研制技術對我國開展無內襯復合材料壓力容器的研制具有重要的借鑒意義。

1 About tank types [DB/OL]. https://www.infinitecomposites.com/composite-pressure-vessel-resources.[2020-08-07]

2 黃誠，劉德博，吳會強，等. 我國航天運載器復合材料貯箱應用展望[J].沈陽航空航天大學學報，2016(2)：28～33

3 MASON H. Developing a linerless, all-composite, spherical cryotank[DB/OL]. https://www.compositesworld.com/articles/developing-a-linerless-all-composite-spherical-cryotank.[2020-07-24]

4 iCPV results[DB/OL]. https://www.infinitecomposites.com/infinite-composite-pressure-vessels.[2020-08-07]

New Linerless, All-Composite Cryogenic Pressure Vessels Developed in the USA

Fu Li1Shi Yumeng1Zhao Zhengrong2Li Yucan3Kang Kaihua1

(1. Beijing Long March Institute of Space Science and Technology Information, Beijing 100076；2. Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology, Beijing 100076；3. Aerospace Wanyuan Enterprises Corporation Limited, Beijing 100076)

This paper mainly introduces new linerless, all composite cryogenic pressure vessels developed in the United States. The development of pressure veseels and the main classification of composite pressure vessels are summarized. In this paper, the development of cryogenic all-composite pressure vessel developed by ICT Corporation in the United States is described, focusing on the development of CryoSphere, the material, manufacturing process and test of CryoSphere are introduced, and the follow-up research plan of CryoSphere is also presented.

composites；pressure vessel；cryogenic；spherical tank

付麗（1990），碩士，英語專業(yè)；研究方向：科技情報。

2020-09-07