美國(guó)最新研制的無(wú)內(nèi)襯全復(fù)合材料低溫壓力容器

付 麗 石宇萌 趙崢嶸 李雨?duì)N 康開(kāi)華

綜述·專(zhuān)稿

美國(guó)最新研制的無(wú)內(nèi)襯全復(fù)合材料低溫壓力容器

付 麗1石宇萌1趙崢嶸2李雨?duì)N3康開(kāi)華1

（1. 北京航天長(zhǎng)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(wàn)源實(shí)業(yè)有限公司，北京 100076）

介紹美國(guó)最新研制的無(wú)內(nèi)襯全復(fù)合材料低溫壓力容器。概述了壓力容器的發(fā)展以及復(fù)合材料壓力容器的主要分類(lèi)。闡述了美國(guó)ICT公司開(kāi)展的低溫全復(fù)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(diǎn)，從貯箱材料、制造工藝和試驗(yàn)情況三方面介紹，并闡明了該型貯箱的后續(xù)研究計(jì)劃。

復(fù)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(lái)看，壓力容器通常分為以下5類(lèi)，如表1所示。

表1 壓力容器的基本分類(lèi)[1]

無(wú)內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器（即V型壓力容器）一直是設(shè)計(jì)碳纖維復(fù)合材料壓力容器的目標(biāo)。傳統(tǒng)上，I至IV類(lèi)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(nèi)襯間隔所貯存的氣體或液體與復(fù)合材料（如IV型壓力容器）。貯箱作為壓力容器的一類(lèi)，與金屬貯箱相比，復(fù)合材料貯箱在重量和成本方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，取消金屬部件可以大大減輕貯箱的重量。研究表明，復(fù)合材料應(yīng)用于運(yùn)載器貯箱可使結(jié)構(gòu)減重20%～40%。不僅可以降低運(yùn)載火箭的成本，還可以增加有效載荷運(yùn)載能力。復(fù)合材料貯箱是未來(lái)航天運(yùn)載器貯箱材料發(fā)展的方向之一[2]。

目前，復(fù)合材料壓力容器主要分為兩大類(lèi)：一是含內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器，二是無(wú)內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器，即全復(fù)合材料壓力容器。這兩類(lèi)壓力容器都在國(guó)外的航天器上得到過(guò)應(yīng)用研究，具體情況見(jiàn)表2。

表2 國(guó)外航天器上的復(fù)合材料壓力容器

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

無(wú)內(nèi)襯全復(fù)合材料壓力容器取消了內(nèi)襯，進(jìn)一步減小了貯箱質(zhì)量，避免了內(nèi)襯失效，但也存在微裂紋問(wèn)題。全復(fù)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(rèn)為是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期太空探索和生存的關(guān)鍵技術(shù)。然而，全復(fù)合材料液氮或液氧壓力容器往往會(huì)引發(fā)層壓板微裂紋這一難以解決的問(wèn)題。由于復(fù)合材料層壓板暴露于極端溫度（極端低溫）時(shí)，各層之間的熱膨脹系數(shù)（CTE）差異會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂和泄漏。許多樹(shù)脂在低溫下也會(huì)變脆，從而加劇了這一問(wèn)題。

雖然許多航天機(jī)構(gòu)（如NASA）開(kāi)發(fā)的月球著陸器都采用了球形設(shè)計(jì)，但目前為止，采用的都是質(zhì)量更重、燃燒效率更低的金屬球體或球形金屬?gòu)?fù)合材料纏繞壓力容器(COPV)。因此，研制全復(fù)合材料壓力容器成為壓力容器制造商爭(zhēng)相追求的終極目標(biāo)。

2 美國(guó)ICT公司研制的全復(fù)合材料壓力容器

2020年4月，美國(guó)Infinite Composites Technologies （ICT）公司宣布開(kāi)發(fā)出球形無(wú)內(nèi)襯全復(fù)合材料低溫壓力容器——低溫球形貯箱（CryoSphere），解決了微裂紋問(wèn)題，可用于火箭低溫推進(jìn)劑貯存。介紹了ICT公司無(wú)內(nèi)襯全復(fù)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(chǎn)天然氣汽車(chē)的貯氣壓力容器），是美國(guó)唯一一家通過(guò)AS9100D和ISO 9001：2015認(rèn)證的無(wú)內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器制造商，可以設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和制造先進(jìn)的貯存系統(tǒng)。該公司致力于顛覆復(fù)合材料壓力容器技術(shù)，使復(fù)合材料壓力容器能夠廣泛應(yīng)用于太空探索和可持續(xù)性空間運(yùn)輸。與傳統(tǒng)的航天器壓力容器相比，該公司簡(jiǎn)化了全復(fù)合材料設(shè)計(jì)，通過(guò)減少質(zhì)量、成本和交付時(shí)間，為存儲(chǔ)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(zhuān)注于商業(yè)航天項(xiàng)目。

2.2 全復(fù)合材料低溫壓力容器的研制

在開(kāi)展低溫球形貯箱（CryoSphere）研制前，ICT公司積累了大量經(jīng)驗(yàn)。

2013年，該公司向美國(guó)俄克拉荷馬州申請(qǐng)了資金，并從美國(guó)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步中心（OCAST）獲得了一筆為期三年的30萬(wàn)美元的資金，用于低溫貯箱材料特性和材料測(cè)試。這個(gè)項(xiàng)目取得了一定的成功，找到了一些不錯(cuò)的候選材料，因此，公司繼續(xù)推進(jìn)這一方案，并開(kāi)始申請(qǐng)其他項(xiàng)目。

2018年，ICT公司向美國(guó)國(guó)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(kāi)始了一項(xiàng)復(fù)合材料低溫貯箱快速開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，該貯箱將用于月球著陸器。該著陸器類(lèi)似于NASA之前研發(fā)的Morpheus垂直起降（VTVL）測(cè)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(cè)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(gè)液氮循環(huán)之間進(jìn)行30min的氦氣檢查，期間貯箱壓力的下降不得超過(guò)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(cè)試取得了部分成功，僅經(jīng)歷了五次低溫循環(huán)，隨后開(kāi)始泄漏，問(wèn)題在于層壓板中的微裂紋。完成測(cè)試后，研制團(tuán)隊(duì)重新將工作重點(diǎn)放在貯箱設(shè)計(jì)上。

ICT公司目前的產(chǎn)品主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是成品壓力容器infintie CPV（infinite Composite Pressure Vessel ，iCPV），已經(jīng)投產(chǎn)應(yīng)用；一類(lèi)是低溫球形貯箱（CryoSphere），正在研制中，未來(lái)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(wú)襯層復(fù)合材料壓力容器，采用圓柱形形狀（見(jiàn)圖1）。據(jù)ICT公司表示，圓柱形Infinite CPV壓力容器已經(jīng)集成到2020年發(fā)射運(yùn)載火箭中。出于保密原因，ICT公司沒(méi)有透露產(chǎn)品的具體去向[3]。Infinite CPV（iCPV）是一種簡(jiǎn)化的全復(fù)合材料設(shè)計(jì)，以最小的重量實(shí)現(xiàn)了最大的燃料存儲(chǔ)容量。對(duì)于需要在給定空間內(nèi)最大程度地增加燃料或?qū)χ亓糠浅Ｃ舾械目蛻?hù)來(lái)說(shuō)，iCPV是理想的選擇。 iCPV的最佳性能參數(shù)參見(jiàn)表3。

圖1 infiniteCPV壓力容器

表3 iCPV的最佳性能參數(shù)[4]

2.2.2 低溫球形貯箱

a. 貯箱材料

低溫球形貯箱（CryoSphere）本質(zhì)上是infintieCPV壓力容器的進(jìn)化。據(jù)ICT公司表示，低溫球形貯箱（CryoSphere）的核心技術(shù)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(shù)脂。為了解決微裂紋，ICT公司在化學(xué)增韌環(huán)氧樹(shù)脂基體（已申請(qǐng)專(zhuān)利）中迭代測(cè)試不同濃度的添加劑。過(guò)程中研究小組發(fā)現(xiàn)了兩種添加劑的組合，使貯箱在再次測(cè)試時(shí)可以滿(mǎn)足熱要求。其中一種添加劑就是石墨烯[3]。

該石墨烯由應(yīng)用石墨烯材料（Applied Graphene Materials）公司提供，作為納米級(jí)的機(jī)械增強(qiáng)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(qiáng)度。

此外，基體中還摻入了其他專(zhuān)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(guò)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(chǎng)的工業(yè)烤箱（即高壓釜）中進(jìn)行后固化。采用的設(shè)備和制造工藝簡(jiǎn)單，可大大降低制造成本。

此外，球形設(shè)計(jì)本身也是一個(gè)挑戰(zhàn)。制造期間，球形表面比圓柱形表面更容易產(chǎn)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(wú)法產(chǎn)生足夠的摩擦力而導(dǎo)致，使纖維控制和鋪放都很困難[3]。

但是，球形設(shè)計(jì)還有一個(gè)意外的好處，即有助于解決微裂紋問(wèn)題。研究團(tuán)隊(duì)在早期設(shè)計(jì)迭代中發(fā)現(xiàn)，由于加注過(guò)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(dǎo)致箱底和箱頂之間的溫差約為65.56℃。當(dāng)層壓板上的溫度梯度非常大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致破裂。而采用球形設(shè)計(jì)，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(yàn)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(gè)CryoSpheres球形低溫貯箱測(cè)試，其尺寸僅為Morpheus著陸器圓柱形貯箱的一半，見(jiàn)圖2。CryoSpheres完成了所有的熱循環(huán)測(cè)試，并且，在每個(gè)循環(huán)之間氦氣檢查，確保沒(méi)有形成微裂紋。此外，還有其他三家供應(yīng)商爭(zhēng)奪該合同，但是直到ICT公司完成測(cè)試時(shí)，其他供應(yīng)商甚至還沒(méi)有研制出第一個(gè)貯箱原型。

圖2 測(cè)試前后的CryoSpheres球形低溫貯箱

2.3 未來(lái)研究計(jì)劃

ICT公司的發(fā)展離不開(kāi)各方的資助。ICT公司還獲得了NASA 材料國(guó)際空間站（Materials International Space Station Experiment, MISSE）計(jì)劃的資助，計(jì)劃將材料發(fā)送到國(guó)際空間站（ISS）實(shí)驗(yàn)。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(cè)試方便的目的，這種尺寸的球體可應(yīng)用于機(jī)器人氣動(dòng)系統(tǒng)。

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

到達(dá)國(guó)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(gè)月的研究，測(cè)試材料在繞地球旋轉(zhuǎn)和直接暴露于熱和輻射下的耐久力。如果測(cè)試成功，ICT公司將把CryoSpheres收回準(zhǔn)其他低溫測(cè)試，并評(píng)估輻射對(duì)材料的影響，主要考慮的是樹(shù)脂中的化學(xué)鍵受到什么影響。測(cè)試后，下一步就是飛行資格認(rèn)證。ICT公司已經(jīng)根據(jù)美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)（AIAA）S-081B標(biāo)準(zhǔn)完成了大約一半的資格測(cè)試，預(yù)計(jì)其余的測(cè)試將在2020年第三季度末完成。ICT公司計(jì)劃將貯箱直徑擴(kuò)大到1219.2mm，是NASA正在開(kāi)發(fā)的商用月球著陸器的尺寸。如該項(xiàng)技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，對(duì)太空探索和可持續(xù)運(yùn)輸具有革新意義。

3 結(jié)束語(yǔ)

與金屬壓力容器相比，復(fù)合材料壓力容器具有顯著的成本和制造優(yōu)勢(shì)。復(fù)合材料壓力容器作為一種前沿技術(shù)在航天領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。介紹了美國(guó)ICT公司復(fù)合材料壓力容器的研制情況，ICT公司是美國(guó)唯一一家通過(guò)AS9100D和ISO 9001：2015認(rèn)證的無(wú)內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器制造商，從技術(shù)成就來(lái)看，ICT公司的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手一直在嘗試開(kāi)發(fā)該技術(shù)超過(guò)15年，但沒(méi)有成功。ICT公司的研制技術(shù)對(duì)我國(guó)開(kāi)展無(wú)內(nèi)襯復(fù)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(chéng)，劉德博，吳會(huì)強(qiáng)，等. 我國(guó)航天運(yùn)載器復(fù)合材料貯箱應(yīng)用展望[J].沈陽(yáng)航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，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(yǔ)專(zhuān)業(yè)；研究方向：科技情報(bào)。

2020-09-07