國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料氣瓶發(fā)展概況與標(biāo)準(zhǔn)分析(一)

于 斌，劉志棟，趙為偉，申 健，靳慶臣，栗 剛，程 彬

(1.蘭州空間技術(shù)物理研究所航天壓力容器研制中心，甘肅 蘭州730000;2.空軍駐甘肅軍代表室，甘肅蘭州 730000)

0 引言

相對(duì)于全金屬氣瓶，復(fù)合材料氣瓶具有質(zhì)量輕、剛度好、容器特性系數(shù)高、可靠性高、抗疲勞性能好、負(fù)載工作壽命長(zhǎng)、疲勞循環(huán)和槍擊失效模式安全、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、生產(chǎn)費(fèi)用低、研制周期短等諸多特點(diǎn)，在航天、航空和民用領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

目前國(guó)外技術(shù)力量雄厚的復(fù)合材料公司擁有先進(jìn)的纖維纏繞設(shè)備，在技術(shù)、人才及軍品生產(chǎn)方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，帶動(dòng)了復(fù)合材料氣瓶整體研制技術(shù)的發(fā)展，如美國(guó)SCI工業(yè)公司、Lincoln復(fù)合材料公司、Hydrospin公司、Kaiser復(fù)合材料公司、ARDE復(fù)合材料公司、Thiokol公司、Brunswick公司、俄羅斯依熱夫斯基鋼瓶有限公司、法國(guó)HM公司、韓國(guó)NK公司等。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家復(fù)合材料氣瓶標(biāo)準(zhǔn)制定通過多型號(hào)復(fù)合材料氣瓶研制、長(zhǎng)時(shí)間的驗(yàn)證，經(jīng)過多次改版，也較為成熟，在可靠性、安全性和過程控制方面的規(guī)范較為系統(tǒng)。

近20年來，中國(guó)復(fù)合材料氣瓶的研制技術(shù)也取得很大的進(jìn)步，部分產(chǎn)品性能也達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，但是相比國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，目前中國(guó)復(fù)合材料氣瓶標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)缺乏，復(fù)合材料氣瓶產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計(jì)缺少標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，而其標(biāo)準(zhǔn)制定工作的開展對(duì)產(chǎn)品研制技術(shù)的提高和產(chǎn)品質(zhì)量的保證尤為重要。文中通過對(duì)復(fù)合材料氣瓶研制進(jìn)展、應(yīng)用、發(fā)展趨勢(shì)和標(biāo)準(zhǔn)概況的調(diào)研，分析了中國(guó)復(fù)合材料氣瓶標(biāo)準(zhǔn)的形勢(shì)，并提出了幾點(diǎn)建議。

1 中國(guó)外復(fù)合材料氣瓶的研制進(jìn)展、應(yīng)用、發(fā)展趨勢(shì)及成型技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1.1 復(fù)合材料氣瓶的研制進(jìn)展

復(fù)合材料氣瓶的發(fā)展始于20世紀(jì)50年代，是基于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料殼體技術(shù)，在金屬殼體表面纏繞玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料。1963年用于衛(wèi)星及航天復(fù)合壓力容器，起初主要研制橡膠內(nèi)襯玻璃纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶，后由于提高其可靠性等原因，著手研究金屬內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶，以S玻璃和凱夫拉纖維復(fù)合的金屬內(nèi)襯輕質(zhì)量壓力容器逐漸取代傳統(tǒng)的全金屬氣瓶。20世紀(jì)70年代，美國(guó)國(guó)家航空航天技術(shù)轉(zhuǎn)向民用商業(yè)市場(chǎng)，美國(guó)運(yùn)輸部批準(zhǔn)復(fù)合材料氣瓶，采用玻纖和凱夫拉纖維生產(chǎn)環(huán)纏繞氣瓶。20世紀(jì)80年代，其他有關(guān)國(guó)家批準(zhǔn)復(fù)合材料氣瓶用于商業(yè)市場(chǎng)，呼吸器成為復(fù)合材料氣瓶的最大市場(chǎng)。20世紀(jì)80年代中期，生產(chǎn)出了高強(qiáng)度碳纖維，性能優(yōu)越的碳纖維使得結(jié)構(gòu)效率更高的復(fù)合材料氣瓶應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域;20世紀(jì)90年代，壓縮天然氣車用瓶成為民用領(lǐng)域復(fù)合氣瓶的主要市場(chǎng)之一。

中國(guó)于20世紀(jì)50年代針對(duì)“兩彈一星”國(guó)防建設(shè)開展了纖維纏繞技術(shù)的研究，20世紀(jì)60年代為攻關(guān)玻璃鋼固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體制造技術(shù)，更進(jìn)一步地奠定了纏繞技術(shù)的基礎(chǔ)，而后將固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體制造技術(shù)移植到復(fù)合材料氣瓶的研制中，在航天航空系統(tǒng)得到推廣應(yīng)用，后又轉(zhuǎn)向民用商業(yè)市場(chǎng)。近20年來，中國(guó)在復(fù)合材料氣瓶的研制方面也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，應(yīng)用也越來越廣泛。

1.2 復(fù)合材料氣瓶的典型應(yīng)用

復(fù)合材料氣瓶已發(fā)展成為航空航天結(jié)構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部件之一，無論從結(jié)構(gòu)重量還是從所占據(jù)的幾何空間上看，都占有極高比例。

在航天領(lǐng)域，復(fù)合材料氣瓶性能因子高和可以有效降低有效載荷的特點(diǎn)使其逐漸替代全金屬氣瓶。復(fù)合氣瓶在航天領(lǐng)域的應(yīng)用如下:SCI公司為HS2601衛(wèi)星平臺(tái)推進(jìn)系統(tǒng)研制了圓柱形鋁合金內(nèi)襯碳纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶，工作壓力28.96 MPa;Matra Marconi公司和ARDE公司聯(lián)合為歐洲星2000研制了圓柱形inconel合金內(nèi)襯碳纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶，工作壓力31 MPa;Lincoln公司為深空計(jì)劃研制了球形5086鋁合金內(nèi)襯T40碳纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶，工作壓力34.47 MPa;Kaiser公司為氙離子推進(jìn)系統(tǒng)研制了鈦內(nèi)襯T1000碳纖維纏繞錐形復(fù)合材料氣瓶，工作壓力17.24 MPa;Brunswick公司為 FS－1300衛(wèi)星平臺(tái)研制了球形6061鋁合金內(nèi)襯T40碳纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶，工作壓力 27.58 MPa［1］。Hughes702 衛(wèi)星［2］、Mitex 衛(wèi)星［3］、火星探測(cè)計(jì)劃［4］、Delta Ⅷ火箭上面級(jí)［5］用復(fù)合材料氣瓶和宇航員 MMU 系統(tǒng)(Manned Maneuvering Unit)［6］如圖1所示。中國(guó)復(fù)合材料氣瓶在航天領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用［7］。

圖1 復(fù)合材料氣瓶在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

在航空領(lǐng)域，復(fù)合材料氣瓶具有較高的可靠性、負(fù)載工作壽命長(zhǎng)、爆破前先泄漏(LBB)和無高能量沖擊碎片的槍擊失效模式特點(diǎn)，使其逐漸替代全金屬氣瓶。美國(guó)SCI復(fù)合材料公司、Lincoln復(fù)合材料公司、Kaiser復(fù)合材料公司、ARDE公司為其本國(guó)的軍用飛機(jī)研制了大量不同規(guī)格的復(fù)合材料氣瓶，在 F－84，F(xiàn)－102，F(xiàn)－101，F(xiàn)－106等戰(zhàn)機(jī)上獲得了成功應(yīng)用［8］。

以SCI公司為例，該公司為美國(guó)多種軍機(jī)研制了多種型號(hào)的復(fù)合氣瓶，內(nèi)襯材料6061－T62鋁合金，由碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂濕法纏繞成型［9］。其中ALT－531A復(fù)合氣瓶用于輕型轟炸機(jī)緊急壓縮系統(tǒng)(EPU)系統(tǒng)，PMEOP為38.2 MPa，安全系數(shù)為3;AC－5022A復(fù)合氣瓶用于輕型飛機(jī)壓縮空氣引擎啟動(dòng)系統(tǒng)(PASS)，PMEOP為34.5 MPa，安全系數(shù)為2.7;ALT－383A復(fù)合氣瓶用于戰(zhàn)斗機(jī)能量貯存系統(tǒng)(SES)，PMEOP為21 MPa，安全系數(shù)為3。圖2示出了ALT－383A氣瓶形貌、SCI空軍氣瓶、槍擊試驗(yàn)和火燒試驗(yàn)記錄。

圖2 美國(guó)空軍用ALT－383A復(fù)合氣瓶

中國(guó)航空復(fù)合材料氣瓶的研制開始于20世紀(jì)60年代，在多種機(jī)型上也得到了成功應(yīng)用，但軍用飛機(jī)各系統(tǒng)的復(fù)合材料氣瓶替代金屬氣瓶的替代比例與國(guó)外還存在一定差距，目前中國(guó)部分復(fù)合材料氣瓶研制單位技術(shù)水平和所研制產(chǎn)品可靠性、安全性能夠滿足航空軍用飛機(jī)用復(fù)合氣瓶的技術(shù)要求。

在民用領(lǐng)域，復(fù)合材料氣瓶的應(yīng)用主要包括:壓縮氣體和液化氣體用復(fù)合材料氣瓶、車用壓縮天然氣氣瓶、呼吸氣瓶［10］。而目前車用壓縮天然氣氣瓶具有較大的市場(chǎng)份額，應(yīng)用車用壓縮天然氣氣瓶是替代石油資源的新能源政策，有效降低汽車的尾氣排放所造成的污染。

1.3 復(fù)合材料氣瓶的發(fā)展趨勢(shì)

1.3.1 航天領(lǐng)域

利用地圖無憂軟件將已結(jié)束項(xiàng)目任務(wù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入其中(已處理掉異常數(shù)據(jù))，按照價(jià)格區(qū)間進(jìn)行分類，繪制了如下任務(wù)點(diǎn)的空間分布圖，其中紅色表示價(jià)格區(qū)間為65-67元，藍(lán)色表示價(jià)格區(qū)間為67-70元，紫色表示價(jià)格區(qū)間為70-75元，灰色表示價(jià)格區(qū)間為80-85元，在地圖上標(biāo)識(shí)出這些點(diǎn)后，我們通過觀察可以看出這些點(diǎn)圍繞在廣州、佛山、東莞、深圳四市市中心周圍，并且靠近市中心價(jià)格較低，遠(yuǎn)離市中心價(jià)格較高。

1.3.1.1 輕質(zhì)高強(qiáng)

輕質(zhì)高強(qiáng)特點(diǎn)是復(fù)合材料氣瓶發(fā)展的主要趨勢(shì)之一，航天器高額的發(fā)射與維護(hù)費(fèi)用要求航天器上的所有結(jié)構(gòu)與部件具有最小的質(zhì)量。航天器的質(zhì)量越大，軌道維持和姿態(tài)控制的技術(shù)難度也就越大，消耗的推進(jìn)劑就越多。在低地球軌道運(yùn)行的航天器，由于殘余大氣阻力的影響，更需要頻繁的進(jìn)行軌道維持與姿態(tài)調(diào)整［11］。中國(guó)目前空間站項(xiàng)目研制已取得階段性進(jìn)展，天宮一號(hào)飛船發(fā)射入軌成功、在軌運(yùn)行正常，后續(xù)的神州八號(hào)、九號(hào)、十號(hào)陸續(xù)發(fā)射，實(shí)現(xiàn)在軌對(duì)接，未來中國(guó)空間站的規(guī)模將會(huì)越來越大，需要的壓力容器數(shù)量也就越來越多，減小壓力容器質(zhì)量將會(huì)極大地節(jié)約空間站的發(fā)射與維護(hù)成本。

世界發(fā)達(dá)國(guó)家均將發(fā)展航空航天動(dòng)力系統(tǒng)用輕量化復(fù)合材料壓力容器作為國(guó)家重點(diǎn)科研課題之一，如美國(guó)NASA的新航空研究計(jì)劃和2030年前的太空探索規(guī)劃，歐洲木星探索計(jì)劃均將發(fā)展輕量化復(fù)合材料壓力容器技術(shù)列為太空探索的關(guān)鍵技術(shù)之一，并對(duì)這些技術(shù)實(shí)行嚴(yán)密封鎖［12］。

1.3.1.2 使用壽命長(zhǎng)

(1)安全壽命長(zhǎng)

隨著人類空間探索活動(dòng)的不斷延伸與擴(kuò)展，航天器的服役壽命越來越長(zhǎng)。航天器設(shè)計(jì)壽命的延長(zhǎng)對(duì)其內(nèi)部的壓力容器也提出了更高的壽命要求。

安全壽命(應(yīng)力斷裂壽命、應(yīng)力破裂壽命)，即容器在一定應(yīng)力載荷(恒載或變載)作用下不發(fā)生爆破失效的最長(zhǎng)工作時(shí)間。國(guó)際空間站高壓容器應(yīng)力破裂壽命要求為30年。目前分析方法主要是利用統(tǒng)計(jì)方法描述增強(qiáng)纖維等材料的失效與持續(xù)承載時(shí)間之間的關(guān)系，得到增強(qiáng)纖維在持續(xù)載荷下的承載能力相關(guān)的長(zhǎng)期存活壽命，以分析復(fù)合材料氣瓶的應(yīng)力斷裂壽命。試驗(yàn)驗(yàn)證方法主要包括:高應(yīng)力水平試驗(yàn)、大批量樣品低應(yīng)力水平試驗(yàn)、加速老化試驗(yàn)。

(2)疲勞壽命長(zhǎng)

不同航天系統(tǒng)因其任務(wù)性質(zhì)不同對(duì)壓力容器循環(huán)疲勞壽命的要求也不同。循環(huán)疲勞壽命，即氣瓶在交變壓力載荷作用下所具有的最大循環(huán)次數(shù)，通常分為工作壓力循環(huán)壽命、驗(yàn)證壓力循環(huán)壽命以及特定壓力下的循環(huán)壽命。長(zhǎng)壽命航天器使用氣瓶需要進(jìn)行大量次數(shù)的介質(zhì)反復(fù)充裝，國(guó)際空間站高壓容器疲勞壽命為22000次。纖維纏繞層的循環(huán)疲勞壽命遠(yuǎn)大于金屬內(nèi)襯，復(fù)合材料氣瓶的疲勞性能取決于金屬內(nèi)襯，內(nèi)襯的循環(huán)疲勞壽命依賴于內(nèi)襯厚度、內(nèi)襯應(yīng)變范圍、復(fù)合材料與內(nèi)襯間的粘結(jié)、內(nèi)襯厚度變化率、內(nèi)襯中的裂紋等。內(nèi)襯厚度還受制于加工公差、可生產(chǎn)性、運(yùn)輸問題和腐蝕防護(hù)要求等［13］。疲勞壽命分析方法:1)工作在彈性狀態(tài)下的金屬內(nèi)襯，一般可采用傳統(tǒng)線彈性斷裂力學(xué)技術(shù)對(duì)其循環(huán)疲勞壽命進(jìn)行分析;2)非線彈性斷裂力學(xué)分析與壽命預(yù)測(cè)技術(shù)，利用低周疲勞理論和內(nèi)襯材料的平均應(yīng)變，可對(duì)纖維纏繞/金屬內(nèi)襯在任一壓力水平下的循環(huán)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，如典型的是Coffin－Manson低循環(huán)理論［14］。

1.3.1.3 可靠性、安全性高

復(fù)合材料氣瓶是航天器的危險(xiǎn)性關(guān)鍵部件，內(nèi)部貯存有很高的能量，一旦發(fā)生脆性斷裂失效而產(chǎn)生爆破。因此，應(yīng)保證具有較高的可靠性和爆破前先泄漏(LBB)的安全疲勞失效模式。

Brunswick研制了球形鋁內(nèi)襯碳纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶，并進(jìn)行了LBB失效模式試驗(yàn)，氣瓶疲勞至破壞，圖3示出氣瓶?jī)?nèi)襯截面顯示內(nèi)襯裂紋擴(kuò)展情況［15］。

圖3 爆破前先泄漏的疲勞安全失效模式

美國(guó)PSI公司為ETSⅧ空間飛船氙氣推進(jìn)系統(tǒng)研制了TC4鈦合金內(nèi)襯T1000碳纖維纏繞復(fù)合材料氙氣瓶，通過金屬內(nèi)襯預(yù)制缺陷方法驗(yàn)證了氣瓶滿足LBB失效模式的要求，氣瓶疲勞至167次時(shí)，從預(yù)制缺陷處裂紋起裂，如圖4(c)所示，內(nèi)襯破壞，氣瓶無爆破，滿足 LBB模式要求［16］。金屬內(nèi)襯預(yù)制裂紋缺陷采用激光切口(Laser notch)工藝，典型裂紋深度約 0.4 mm［17］。實(shí)現(xiàn)LBB安全疲勞失效模式所需的兩個(gè)必要條件:(1)復(fù)合層疲勞循環(huán)壽命要遠(yuǎn)大于內(nèi)襯疲勞循環(huán)壽命;(2)復(fù)合材料層能夠繼續(xù)承受當(dāng)內(nèi)襯發(fā)生不穩(wěn)定裂紋增長(zhǎng)時(shí)迅速轉(zhuǎn)移的原內(nèi)襯負(fù)載。

圖4 金屬預(yù)制缺陷疲勞LBB失效模式驗(yàn)證

1.3.2 航空領(lǐng)域

航空系統(tǒng)用復(fù)合材料氣瓶的發(fā)展趨勢(shì)為輕質(zhì)高強(qiáng)、安全壽命和疲勞壽命長(zhǎng)、可靠性、安全性高、環(huán)境適應(yīng)性能優(yōu)異等特點(diǎn)。其中安全性設(shè)計(jì)應(yīng)包括爆破前先泄漏的失效模式、無高能量沖擊碎片的槍擊失效模式。蘭州空間技術(shù)物理研究所為航空系統(tǒng)研制了兩種型號(hào)的復(fù)合材料氣瓶，氣瓶充氣至21 MPa，被初速度大于860 m/s、直徑23 mm的穿甲彈擊中后，氣瓶未爆破也未產(chǎn)生碎片，中彈后氣瓶失效模式安全。圖5示出氣瓶中彈后的形貌照片。

圖5 無高能量沖擊碎片的槍擊安全失效模式

1.3.3 民用領(lǐng)域

在保證氣瓶性能的前提下，開發(fā)復(fù)合材料氣瓶低成本制造技術(shù)是氣瓶企業(yè)快速發(fā)展的主要途徑，低成本生產(chǎn)技術(shù)包括原材料、金屬內(nèi)襯成型工藝、纖維樹脂復(fù)合工藝和質(zhì)量控制等方面。

提高可靠性、安全性也是民用復(fù)合材料氣瓶發(fā)展的主要趨勢(shì)，復(fù)合材料氣瓶可靠性、安全性取決于金屬內(nèi)襯和復(fù)合層，金屬內(nèi)襯技術(shù)較為成熟，而復(fù)合材料纏繞設(shè)計(jì)工藝技術(shù)仍在不斷發(fā)展中。目前民用纏繞纖維主要采用玻璃纖維和芳綸纖維，根據(jù)我國(guó)實(shí)際國(guó)情，績(jī)優(yōu)高強(qiáng)纖維如碳纖維尚不如人意，需依賴進(jìn)口而且價(jià)格昂貴尚不能普及到民用領(lǐng)域。目前大量生產(chǎn)的纖維纏繞氣瓶主要是使用玻璃纖維增強(qiáng)樹脂以濕法纏繞生產(chǎn)，原材料成本較低，工藝技術(shù)成熟，市場(chǎng)占有率較高。

針對(duì)碳纖維纏繞民用氣瓶，從先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展來看，碳纖維復(fù)合材料的價(jià)格和效費(fèi)比等分析比較，采用大絲束碳纖維將是今后先進(jìn)復(fù)合材料降低成本的主要措施之一［18］。CNG－4型全復(fù)合材料氣瓶具有重量輕和制造成本低的特點(diǎn)，主要缺點(diǎn)是氣瓶抗外部沖擊損傷能力較低、氣密性差;相比較，CNG－3型金屬內(nèi)襯纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶安全性更高，目前主要采用焊接鋼內(nèi)襯或無縫旋壓鋁內(nèi)襯，由于性能和價(jià)格等原因，目前國(guó)內(nèi)外CNG－3型氣瓶生產(chǎn)和銷售遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過CNG－4型氣瓶。結(jié)合中國(guó)現(xiàn)有水平，研制、開發(fā)、生產(chǎn)金屬內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶是更可靠、更現(xiàn)實(shí)的一個(gè)技術(shù)路線。

1.4 復(fù)合材料氣瓶復(fù)合材料成型工藝發(fā)展趨勢(shì)

復(fù)合材料氣瓶復(fù)合材料成型發(fā)展趨勢(shì)大致分為以下幾個(gè)方面:(1)多工藝復(fù)合化的纖維纏繞工藝，如纖維纏繞與帶鋪放工藝、拉擠工藝的結(jié)合;(2)熱塑性樹脂纏繞工藝發(fā)展，如利用其良好的力學(xué)性能和耐高溫性;(3)新型固化技術(shù)，如紅外加熱、微波加熱、火焰加熱、電子束固化等技術(shù)可縮短固化周期，減少殘余應(yīng)力，提高復(fù)合材料力學(xué)、物理性能，降低成本;(4)在線固化監(jiān)測(cè)技術(shù)，如超聲技術(shù)和光纖傳感技術(shù);(5)配備高精密張力控制系統(tǒng)的纖維纏繞設(shè)備，精確控制樹脂含量，使纖維在芯模上按規(guī)定線型嚴(yán)格排列。精密張力控制系統(tǒng)可獲得適當(dāng)和平穩(wěn)的張力，能夠增強(qiáng)纖維構(gòu)件承受內(nèi)壓的能力，提高其抗疲勞特性;(6)CAD，CAM和仿真技術(shù)與傳統(tǒng)纖維纏繞工藝相結(jié)合，大大減少人工繁瑣的計(jì)算工作，提供多種設(shè)計(jì)方案，縮短設(shè)計(jì)周期，保證纖維按最佳線型進(jìn)行纏繞，提高產(chǎn)品質(zhì)量和成品率;(7)機(jī)器人與纏繞機(jī)相結(jié)合，機(jī)器人用于纖維纏繞具有自由度多、運(yùn)動(dòng)靈活、工藝范圍寬等優(yōu)點(diǎn)［19］。

2 復(fù)合材料氣瓶標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展概況

2.1 航天領(lǐng)域

空間系統(tǒng)各類航天器和空間運(yùn)載器對(duì)氣瓶類壓力容器的需求非常廣泛和普遍，如推進(jìn)系統(tǒng)、流體管理系統(tǒng)、環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)或商業(yè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要大量的氣瓶來維持其各系統(tǒng)的正常工作。

20世紀(jì)50，60年代，空間用金屬氣瓶研制參照MIL－R－8573A，空間用金屬內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶設(shè)計(jì)參照MIL－T－25363D，隨著材料和制造工藝的快速發(fā)展，空間用金屬內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)替換為MIL－C－24604。截至20世紀(jì)70年代，航天用金屬氣瓶和復(fù)合材料氣瓶設(shè)計(jì)、分析和鑒定檢驗(yàn)均參照美國(guó)空軍(AF)制定的MIL－STD－1522《加壓導(dǎo)彈和航天系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)系統(tǒng)和操作的總要求標(biāo)準(zhǔn)》。該標(biāo)準(zhǔn)于1984年被修訂為 MIL－STD －1522A［20］，使其更規(guī)范化和嚴(yán)格控制金屬氣瓶斷裂失效，并增加了安全性相關(guān)條款，而后MIL－STD－1522A成為世界航天領(lǐng)域最為普遍應(yīng)用的氣瓶標(biāo)準(zhǔn)。隨著航天系統(tǒng)對(duì)可靠性、安全性要求的提高，復(fù)合材料氣瓶(復(fù)合材料氣瓶)在航天領(lǐng)域大量應(yīng)用，用MIL－STD－1522A指導(dǎo)航天復(fù)合材料氣瓶的研制明顯力不從心，如金屬氣瓶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和氣瓶配套設(shè)備技術(shù)要求不夠詳細(xì)，碳纖維氣瓶抗沖擊損傷設(shè)計(jì)、玻璃纖維和芳綸纖維應(yīng)力斷裂壽命分析、爆破前先泄漏(LBB)失效模式、復(fù)合材料氣瓶無損檢測(cè)評(píng)價(jià)(NDI)等要求沒有涵蓋。

1993年，AF和空間與火箭系統(tǒng)中心(SMC)下達(dá)任務(wù)對(duì)MIL－STD－1522A進(jìn)行修訂，但由于空軍改革的原因，SMC取消了該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)修訂在內(nèi)的大量軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的修訂計(jì)劃。1996年，美國(guó)航天和星際航空協(xié)會(huì)(AIAA)接管了MIL－STD－1522A標(biāo)準(zhǔn)的修訂任務(wù)，并成立了航天壓力容器標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(APVSWG)，制定首部標(biāo)準(zhǔn)為ANSI/AIAA S－080《空間用金屬壓力容器及附件》［21］，該標(biāo)準(zhǔn)于1998年12月通過 IAAA結(jié)構(gòu)委員會(huì)認(rèn)可，于1999年1月出版。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)空間用金屬氣瓶的系統(tǒng)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、安全性、生產(chǎn)及工藝控制、鑒定檢驗(yàn)、操作和維修均作了明確規(guī)定，氣瓶安全系數(shù)≥1.5。

1996年，APVSWG開始制定航天用復(fù)合材料氣瓶專用規(guī)范ANSI/AIAA S－081《空間用復(fù)合材料壓力容器》［22］，于2000年出版。S－081規(guī)定對(duì)于存貯非有害介質(zhì)的復(fù)合材料氣瓶?jī)?nèi)襯安全設(shè)計(jì)，可根據(jù)LBB安全失效模式或者安全壽命進(jìn)行設(shè)計(jì)。而單獨(dú)根據(jù)LBB安全失效模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，少數(shù)衛(wèi)星和火箭用復(fù)合材料氣瓶在驗(yàn)收試驗(yàn)或執(zhí)行任務(wù)過程中發(fā)生復(fù)合材料氣瓶泄漏事故，表明氣瓶安全設(shè)計(jì)除包括LBB模式設(shè)計(jì)，同時(shí)還應(yīng)包括氣瓶安全壽命設(shè)計(jì)［23］。經(jīng)過APVSWG研究討論，最終決定將S－081修訂為S－081A，對(duì)機(jī)械損傷控制和應(yīng)力斷裂壽命要求進(jìn)行了修訂，增加了預(yù)發(fā)射檢測(cè)、壓力檢測(cè)和數(shù)據(jù)保留要求，ANSI/AIAA S－081A于2006年出版［24］。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維纏繞氣瓶的安全系數(shù)最小值分別為1.5，1.65 和2.25。當(dāng) N ＞2 時(shí)，PT=(1+N)PMEOP/2;當(dāng) N≤2 時(shí)，PT=1.5PMEOP，且PT≤0.8Pb，對(duì)于工作狀態(tài)下處于彈性狀態(tài)的內(nèi)襯設(shè)計(jì)參照S－080，反之參照S－081A(其中，N為安全系數(shù)、PT為驗(yàn)證壓力、PMEOP為最大預(yù)期工作壓力、Pb為爆破壓力)。

S－081A標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料選擇、安全設(shè)計(jì)提供了全面的宏觀指導(dǎo)，要求選用A－基材料制備全尺寸復(fù)合氣瓶(FSCOPV)的性能試驗(yàn)以確定纖維增強(qiáng)樹脂的斷裂強(qiáng)度，對(duì)復(fù)合材料氣瓶機(jī)械損傷控制、沖擊損傷容限、復(fù)合材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)、無損檢測(cè)技術(shù)、爆破前先泄漏失效模式、性能和功能試驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)定。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)于2003年批準(zhǔn)了一套標(biāo)準(zhǔn):ISO 14623《空間用壓力容器設(shè)計(jì)與操作》［25］，其適用于空間用金屬氣瓶和金屬內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶的研制，規(guī)定復(fù)合材料氣瓶安全系數(shù)不小于1.5，應(yīng)力斷裂失效存活概率不低于0.999，對(duì)于安全系數(shù)小于 4.0且壁厚小于 6.35 mm的復(fù)合材料氣瓶需進(jìn)行系統(tǒng)的損傷控制設(shè)計(jì)。AIAA－S110《空間系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)組件、附件》規(guī)定機(jī)械零部件的承受壓力、機(jī)械載荷和熱載荷的安全系數(shù)為 1.25［26］。ASTM D2992 標(biāo)準(zhǔn)是為確定玻璃纖維管壽命而開發(fā)的一種壽命分析方法，包括疲勞循環(huán)壽命和應(yīng)力破裂壽命的確定方法，也適用于壓力容器，國(guó)外航天用玻璃纖維纏繞氣瓶壽命分析也參照該標(biāo)準(zhǔn)。2006年，NRL和ARDE聯(lián)合為DeltaⅡ火箭上面級(jí)研制的D4929復(fù)合材料氦氣瓶的潔凈度要求參考MIL－STD－1246，等級(jí)為100A。

中國(guó)航天43所針對(duì)金屬內(nèi)襯芳綸纖維纏繞球形壓力容器制定了GJB 2371—1995《芳綸復(fù)合材料球形容器規(guī)范》，規(guī)定N≥2，金屬內(nèi)襯可選擇鈦、鋁合金，電子束焊接連接，規(guī)定了芳綸纖維力學(xué)性能及試驗(yàn)方法。