航天大型復合材料貯箱研究進展

摘 要 復合材料與金屬材料相比，具備質量輕、比強度高、比模量高以及良好的抗疲勞性能等優勢，使用復合材料代替金屬材料制作航天大型推進劑貯箱，減重效果可達20%～40%，是航天器未來發展的必然趨勢。通過對發達國家和我國復合材料貯箱的研究進展進行分析，指出了我國尚未解決制造液氫液氧全復合材料貯箱的一些關鍵問題。提出我國需要在結構設計、成形工藝和監測技術等方面彌補與發達國家的差距，并嘗試性的對我國航天大型復合材料低溫貯箱研究給出了一些建議。

關鍵詞 輕質化；復合材料；鋁合金；液氧相容性；纖維纏繞工藝

Research Progress in Large Composite Material Low－temperature Storage Tanks for Aerospace

WANG Hao，YANG Jilong

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT Compared with metal materials， composite materials not only have light weight， high specific strength， and high modulus， but also have good fatigue resistance. Using composite materials instead of metal materials to make large space propellant tank can reduce weight by 20%～40%， which is an inevitable trend of spacecraft development in the future.By analyzing the research progress of composite material storage tanks in developed countries and China， it is pointed out that China has not yet solved some key issues in manufacturing liquid hydrogen and liquid oxygen fully composite material storage tanks. It is proposed that China needs to fill the gap with developed countries in structural design， forming process， and monitoring technology， and provide some suggestions for the research of large-scale composite material storage tanks in China aerospace industry.

KEYWORDS composite material; lightweight; aluminium alloy; liquid oxygen compatibility; fiber winding process

1 引言

航天運載器作為將人造衛星、空間站等太空裝置送入宇宙空間的重要運載工具，代表著一個國家的航天科技水平，是國家綜合國力的重要體現［1］。未來航天器的目標將是具備高運載能力并且制造成本低，例如低成本航天器（ELV）、可重復使用飛行器（RLV）、單級入軌（SSTO）等航天器。美國航空航天局（NASA）通過研究發現，航天器若想重復使用，必須使自重與發射總重量的比值≤0.092［2］。所以為了實現未來航天器的發展目標，首先要解決的問題就是如何在保持飛行器功能正常的前提下減低飛行器的自重。推進劑貯箱作為運載火箭推進系統的關鍵結構，占據了很大的空間，其質量可達到箭體結構質量的60%左右，是主要的減重部件，其減重效果可直接決定運載火箭的主要性能指標［3］。

由于碳纖維復合材料具有高比強度、高比剛度、密度小等特點，已逐漸成為新一代推進劑貯箱材料的研究熱點。目前世界上主流航天器的部分艙體結構件已成功使用復合材料來代替傳統金屬材料，降低了整機重量及制造成本，部分發達國家已成功制造出復合材料航天器低溫推進劑貯箱。而我國在航天大型復合材料貯箱的研究方面起步較晚，和美國、日本等發達國家還存在一定的差距。在全面了解國內外復合材料貯箱的制造方法、加強對復合材料體系研究的基礎上，盡快提升我國在全復合材料推進劑貯箱方面的自主研發和制造能力，對于我國在未來航天領域的競爭中具有重要的戰略意義［4］。

2 復合材料貯箱的優勢

傳統的推進劑貯箱大部分是由金屬材料（如高強鋁合金等）制成并已廣泛應用于多種型號的航天器中。但隨著對航天器輕質化要求的提高和各國科學家對復合材料研究的不斷深入，無內襯全復合材料低溫貯箱已成為各航天大國的主要研究方向［5］。與金屬材料相比，復合材料不僅質量輕、比強度高、模量高，同時還有良好的抗疲勞性能。研究表明，使用復合材料代替傳統金屬材料制作推進劑貯箱，減重效果可達20%～40%，減重優勢十分明顯，如表1所示［6-8］。

除此之外，由于金屬材料各向同性的特點，所制備的貯箱在某些載荷要求較小的方向上存在著明顯的強度富余情況，不利于進一步減重。復合材料可以根據貯箱的工作環境和載荷進行針對性設計，使貯箱在某方向上具有最高承載強度。而且目前復合材料已具有多種先進的成型方法，可以大幅度減少所需裝配的零部件，縮短生產周期，降低了生產成本，使得低成本航天器（ELV）等未來航天器的實現成為可能［9］。

3 國外低溫復合材料貯箱研究進展

3.1 有內襯低溫復合材料貯箱

國外對于復合材料推進劑貯箱的研究開展較早，美國林肯公司（LIC）在20世紀50年代就開始了對復合材料壓力容器（COPV）的研究，并且首次將纏繞成型這種原用于固體火箭發動機成型的工藝技術運用于成型COPV，為COPV的設計制造提供了新的思路［10］。在此期間，由于受到復合材料成型技術的限制以及對復合材料體系的研究不夠深入，出現了大量有內襯的COPV。內襯分為金屬內襯和非金屬內襯，早期的內襯材料為橡膠，后來由于使用環境的要求，需要航天器搭載的COPV同時具有輕質高強和低滲漏的特性，所以金屬內襯的COPV逐漸成為各國研究的主要方向，纖維材料則是玻璃纖維和芳綸纖維為主［11］。1976年LIC以TC4鈦合金為內襯，纖維材料選擇K49芳綸纖維，為火箭推進系統研制了球形的COPV。其主要設計理念是保持COPV的金屬內襯在工作時始終處于彈性變形狀態，以此來避免金屬內襯在工作期間發生泄漏，并且大大提高了COPV的使用壽命?；诖嗽O計理念，TC4、CRES -301不銹鋼等具有高屈服強度特性的金屬材料成為了金屬內襯選材的主要對象。

隨著減重要求的不斷提高，鋁合金這種具有輕質高強特性的金屬材料逐漸成為金屬內襯的首選材料。1972年，美國結構復合材料工業公司（SCI）與NASA合作，開展了以2219-T62鋁合金為內襯，纖維材料為K49芳綸纖維的纏繞COPV的研制工作［12］。1976～1986年，SCI主要進行了無縫鋁合金內襯COPV的研究，其鋁合金內襯的生產以旋壓工藝為主。值得注意的是SCI同時嘗試用碳纖維取代玻璃纖維和芳綸纖維［13］，并成功研制出了多種規格的碳纖維纏繞氣瓶。SCI還針對氣瓶形狀對性能的影響進行了研究，研究表明球形COPV的性能要低于圓柱形和橢球形COPV。1986年SCI使用6061-T6鋁合金為內襯，結合當時最先進的IM6碳纖維研制了外形尺寸為φ254 mm×1270 mm，容積為50.8 L的圓柱形COPV并對其性能進行了研究［14］，結果表明：相比于S2玻璃纖維和K49芳綸纖維COPV，IM6-COPV的強度分別高出37%和21%。1989年，SCI針對碳纖維纏繞COPV的長期承載能力進行了理論和試驗研究［15］，研究表明：碳纖維纏繞COPV的長期承載能力優于芳綸纖維和玻璃纖維。

隨著更多先進碳纖維的不斷出現，含內襯的碳纖維COPV發展迅速并逐漸成為各國主要研究方向。1990年，LIC針對以5086鋁合金和6061鋁合金為內襯的碳纖維COPV進行了深入研究，研究結果表明：對于塑性工作狀態下的鋁合金內襯COPV，影響其強度和使用壽命的主要因素是結構設計，其中包括焊縫性能的提高、各區域壁厚的確定、主要承載區安全系數的確定和過渡漸變區的結構設計等［16］。美國空間壓力系統公司（ATK-PSI）在板式表面張力貯箱方面進行了深入研究并在2004年論述了其研究進展［17］，內襯材料為TC4鈦合金，纖維材料選擇T1000碳纖維。第一代表面張力貯箱為篩網式結構，第二代表面張力貯箱為板式結構，后經過研究又在第二代表面張力貯箱的基礎上進行了改進。目前ATK-PSI在板式表面張力貯箱方面的技術已非常成熟，極大地推動了復合材料貯箱的發展。

美國波音公司在2004年通過研究指出：選擇IM7碳纖維和鋁合金內襯可有效解決碳纖維復合材料層與鋁合金內襯的電化學腐蝕問題和熱膨脹系數差異問題［18］。除美國各公司外，法國AeroSpatiale空間研究中心（AS）對碳纖維纏繞COPV進行了一系列探索和試驗，結果見表2，證明了碳纖維取代芳綸纖維的重要性和可行性［19］。德國空間研究中心（MT）在2006年提出了Net-Shape對滾旋壓工藝COPV鈦合金內襯封頭殼體的工藝制造方法［20］，其研制的空間系統COPV已成功應用于歐洲阿爾法衛星等產品上。

3.2 無內襯低溫復合材料貯箱

隨著大量的含金屬內襯的COPV被研制出來并成功運用在航天器中，為了達到更高的減重目標，國外在20世紀80年代就開始了無內襯全復合材料壓力容器的研究。LIC在1982年通過碳纖維和芳綸纖維混合纏繞制造了全復材COPV［21］，開啟了國外對于全復合材料液氫、液氧低溫貯箱的研究。液氧貯箱的主要難題是材料與液氧的相容性問題，而液氫貯箱則面臨的是氫分子滲漏問題和復合材料在超低溫環境下的力學強度問題。1987年美國麥道公司（MDA）開始對碳纖維/環氧樹脂復合材料液氫貯箱進行研究，并成功解決了液氫貯箱的兩大難題［22］。MDA在1996年為美國DC-XA亞軌道飛行器研制出了全復合材料液氫貯箱，如圖1所示。貯箱外形采用的是圓柱體結構，直徑2.4 m，高4.8 m，材料使用IM7增強碳纖維和8552-2韌性環氧樹脂，通過預浸料鋪放工藝制做了殼段和箱底［23］。為避免液氫滲漏，殼段和箱底未選擇螺紋連接，而是使用FM300膠膜和連接環的形式連接，并已成功通過飛行測試。

美國洛克希德·馬丁公司（LM）在1996年與美國政府合作，為X-33飛行器研制了復合材料液氫貯箱，如圖2所示［24］。其外形不同于常規圓柱形，該貯箱前端采用雙裂葉球體，中間為雙裂葉錐體，后端為球體，各部分在熱壓釜中粘接。貯箱長8.7 m，底部寬5.5 m，采用多瓣蜂窩夾層結構，面板材料為碳纖維/環氧樹脂（IM7/977-2），夾層結構為Korex芳香聚酞胺-酚醛蜂窩［25］。在1999年LM公司對該液氫貯箱進行試驗，結果在試驗2 h后箱體蜂窩夾心層與內襯層分離，最終試驗失敗，是因為復合材料內層襯板內部產生了微裂紋，彼此連接形成了滲漏通道，導致部分液氫滲漏到蜂窩夾層中。另外，面板和蜂窩的粘接力不足也是試驗失敗的主要原因之一。

2011年，美國波音公司（Boeing）與NASA合作研制低溫復合材料貯箱，并已成功完成直徑2.4 m和直徑5.5 m復合材料貯箱的研制和測試工作，如圖3所示［3］，采用自動纖維鋪放技術和非熱壓罐技術成型。波音公司下一步計劃將進行直徑10 m的復合材料低溫貯箱的研制工作，相比于同等大小的鋁鋰合金貯箱可減重39%左右［26-27］。2021年底，波音公司研制的直徑4.3 m復合材料貯箱在NASA的馬歇爾太空飛行中心通過了一系列測試，充分證明了其安全性。若此技術可運用于美國宇航局空間發射系統中，可將燃料裝載量提高30%。美國Infinite Composites Technologies（ICT）公司在2020年研制出了球形無內襯復合材料低溫貯箱，材料采用的是T800碳纖維/環氧樹脂，通過纖維纏繞工藝制成，產品通過了所有的熱循環測試。

4 國內低溫復合材料貯箱研究進展

20世紀70年代，我國開始了復合材料液氧貯箱的研究，貯箱內層采用不銹鋼內襯，外層纏繞玻璃纖維/環氧樹脂復合材料。由于不銹鋼內襯避免了復合材料和液氧直接接觸，所以研究人員并沒有重視復合材料與液氧相容性問題。我國在隨后的30年時間內，復合材料貯箱研究并沒有取得實質性進展。直到2002年，我國863項目開始了聚合物基復合材料與液氧相容性的研究，并成功制造出H2O2復合材料貯箱。在國防973項目的支持下，國內眾多高校和研究所等開始了對復合材料低溫貯箱的基礎性研究工作，力爭解決全復合材料液氫、液氧貯箱的難題，早日達到世界一流水平，研制出復合材料低溫貯箱并實現工程化應用［28］。

目前，我國大部分研究團隊都將研究重點放在復合材料低溫性能和貯箱箱體的結構設計方面，趙立中等［29］研究了五種復合材料體系在低溫條件下的彎曲性能，結果表明，E-3復合材料體系可以滿足低溫構件的要求，在室溫及液氮溫度下具有良好壓縮強度及彈性模量；晏飛等［30］研究了纖維纏繞金屬內襯壓力容器的設計和分析技術，指出循環疲勞壽命的預測是其設計所面臨的主要問題?，F已發現內襯和纖維的首選材料分別是6061-T62鋁合金和T1000高強碳纖維，無焊縫的鋁合金內襯在適當的塑性工作狀態下可以提高自身的循環壽命并充分發揮復合材料的承載能力；張建峰［31］以氰酸酯（CE）和環氧樹脂為基礎樹脂體系研究材料，發現對于E51/CE樹脂體系，適當添加納米SiO2粒子進行對其改性可有效降低液氧沖擊敏感性，納米SiO2改性的E51/CE樹脂體系在經過25次液氧環境下的高低溫循環后未出現裂紋。除此之外，表面納米SiO2改性可以提高樹脂基體的韌性和拉伸強度；舒鵬［32］對碳纖維T700與不同樹脂體系進行了研究，發現常溫下三元樹脂體系浸潤性較好。通過研究三元樹脂與納米改性的碳纖維復合材料在液氧低溫條件下的界面性能、液氧相容性等，發現納米改性后在77 K（-196.15 ℃）低溫條件下材料的界面強度有所提高，缺陷和冷熱循環次數對材料的液氧沖擊敏感性有較大影響。

5 結語

隨著未來航天器對于結構減重及成本控制的要求越來越高，由于復合材料貯箱與傳統鋁合金貯箱相比具有十分明顯的減重優勢，已成為各航天大國的主要研究對象。國外對復合材料貯箱進行了大量的研究并已成功解決了復合材料液氫液氧貯箱的關鍵問題。美國、法國、德國等發達國家經過數十年的研究，已基本掌握了航天大型低溫復合材料貯箱的制造技術，而我國在此方面的研究進展較為緩慢，為此，本文嘗試性的提出以下建議：

（1）加強對復合材料體系的研究，首先解決復合材料在超低溫下的力學性能、液氫滲漏性以及液氧相容性問題，并將復合材料貯箱的基礎性研究工作與工程化應用研究工作相結合；

（2）研制尺寸較小的含內襯低溫復合材料貯箱，內襯材料可以從超薄金屬內襯逐漸發展到多元內襯，最后過渡到無內襯全復合材料貯箱，在積累足夠的技術基礎后再全面開展航天用大型復合材料貯箱的研制工作；

（3）提高復合材料貯箱結構設計、成型工藝、產品試驗以及監測等技術水平，滿足我國航天事業發展需求。

我國作為航天大國，對航天事業的發展極為重視。在國家的支持和全國各高校院所的共同努力下，相信我國能夠解決液氫、液氧全復合材料貯箱制造的關鍵技術問題，早日實現我國航天低溫全復合材料貯箱的工程化應用。

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通訊作者：汪浩，碩士研究生，助理工程師。研究方向為復合材料結構設計。E-mail：2380129080@qq.com