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        2022-01-11
        英國國家復(fù)合材料中心展示未來太空儲能罐技術(shù)

        【據(jù)復(fù)合材料世界網(wǎng)站2021年12月22日報道】英國國家復(fù)合材料中心(NCC)與法國航空航天制造商泰雷茲阿萊尼亞太空公司(Thales Alenia Space)聯(lián)合在“太空儲存罐”(SpaceTank)項(xiàng)目下制造了一種全復(fù)合材料無襯墊(俗稱“V型”)儲存罐演示驗(yàn)證件。該部件將作為運(yùn)載火箭和衛(wèi)星推進(jìn)劑儲存罐的基本型產(chǎn)品,與目前使用的傳統(tǒng)金屬推進(jìn)劑儲存罐相比,重量預(yù)計可減輕30%。NCC表示,該演示驗(yàn)證件展示了如何利用先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)來減輕燃料儲存罐結(jié)構(gòu)重量并降低衛(wèi)星發(fā)射成本,體現(xiàn)了復(fù)合材料將在未來空間推進(jìn)工程結(jié)構(gòu)發(fā)揮的重要作用。

        “太空儲存罐”項(xiàng)目為期一年,總體目標(biāo)是基于英國本土的研發(fā)能力,獲得制造和檢測低溫壓力容器所需的技術(shù),將開發(fā)一種全新制造解決方案,獲得低溫推進(jìn)劑儲存罐。

        航天行業(yè)對于復(fù)合材料在太空中發(fā)揮的關(guān)鍵作用形成了共識,一些公司已經(jīng)開始探索復(fù)合材料在太空儲存罐設(shè)計中的應(yīng)用。例如,美國Virgin軌道公司和新西蘭火箭實(shí)驗(yàn)室公司(RocketLab)都分別研發(fā)并展示了復(fù)合材料燃料儲存罐作為發(fā)射器一號(Launcher One)火箭和“電子”(Electron)火箭中金屬燃料儲存罐的替代品。在澳大利亞,Omni Tanker公司與合作伙伴正在尋求開發(fā)復(fù)合材料無襯墊液氫儲存罐并計劃將其商業(yè)化。而在歐洲,德國MT航宇公司也已經(jīng)研發(fā)材料和制造方法,并正在接受新型火箭燃料儲存罐的性能測試。NCC的“太空儲存罐”項(xiàng)目則有望將英國提升為該領(lǐng)域的主要參與者。

         

        NCC開發(fā)的“太空儲存罐”演示驗(yàn)證產(chǎn)品長750毫米,直徑為450毫米,流體存儲容量超過96升,壁厚為4.0-5.5毫米,這種設(shè)計使其能夠承受85巴加壓推進(jìn)劑帶來的壓力。NCC透露,“太空儲存罐”碳纖維復(fù)合材料主體結(jié)構(gòu)由總重量達(dá)到8千克,存在進(jìn)一步優(yōu)化減重的可能,其壓力等級可以通過使用更高強(qiáng)度的碳纖維和增加復(fù)合材料的厚度來實(shí)現(xiàn)。同時可以使用更薄,剛度更低的碳纖維復(fù)合材料制造,以應(yīng)對一些中低端應(yīng)用場景。

        在“太空儲存罐”項(xiàng)目期間,NCC團(tuán)隊開發(fā)了一種創(chuàng)新方法,將金屬流體閥端口的制造也納入到可沖洗消除的內(nèi)芯模具中,從而不需任何二次組裝或粘接等其他步驟。這些流體閥端口固定在新型模具中,使它們能夠在制造過程的后期直接連結(jié)到碳纖維上。

        “太空儲存罐”的主體結(jié)構(gòu)使用美國SHD復(fù)合材料公司提供的MTC510環(huán)氧樹脂碳纖維預(yù)浸料,帶材寬度為300毫米。MTC510是一種環(huán)氧樹脂系列產(chǎn)品,在80℃到120℃之間固化,并且經(jīng)過專門的增韌設(shè)計以提高其損傷容限。

        “太空儲存罐”由英國Bindatex公司負(fù)責(zé)制造過程,該公司還對纖維帶進(jìn)行了窄幅精密切割,并以6.35毫米的規(guī)格形成了長達(dá)22000米返回料,按照NCC的要求,這些返回料要在法國科里奧利公司提供自動纖維鋪放(AFP)制造系統(tǒng)中應(yīng)用。

        使用科里奧利AFP系統(tǒng)的長纖維纏繞工藝將裁剪后的窄纖維帶沉積到可沖洗消除的模具上。NCC工程師使用比利時Material’s Cadwind公司的纖維纏繞軟件設(shè)計了螺旋纏繞和環(huán)箍纏繞工藝組合,用于沉積超過24層的材料,達(dá)到標(biāo)稱5.5毫米的厚度。在這里使用的纖維纏繞厚度、方向以及角度僅針對演示驗(yàn)證件。NCC后續(xù)可以增加或減少復(fù)合材料壁厚并改變纖維纏繞角度和層板結(jié)構(gòu),以按照不同的壓力或負(fù)載要求充分優(yōu)化“太空儲存罐”結(jié)構(gòu)。

        在材料完成沉積后,研究人員立即檢查了NCC“太空儲存罐”是否存在缺陷和厚度變化。隨后將整體結(jié)構(gòu)置于100℃下進(jìn)行熱壓罐固化,并再次重新檢查。固化后采用超聲波C掃描和熱成像無損檢測技術(shù),對不同的制造方法進(jìn)行對比,以檢查未來儲罐是否存在分層和孔隙等缺陷。最后,在完成無損檢測質(zhì)量評估后,用加壓冷水沖洗并消除內(nèi)部模具,使內(nèi)槽形成空腔。

        NCC表示,經(jīng)過驗(yàn)證,無內(nèi)襯“太空儲存罐”的模具技術(shù)難度巨大,因此他們與英國AeroConsultants公司合作開發(fā)了一款使用該公司Aqua水溶性芯材的鑄造工藝制成的內(nèi)部模具。模具具有內(nèi)部陽模,標(biāo)稱壁厚為30毫米,它被分為兩部分澆鑄而成,然后進(jìn)行粘合。該模具內(nèi)部擁有三個可清洗加強(qiáng)環(huán),這些加強(qiáng)環(huán)的設(shè)計和制造有助于承受復(fù)合材料自動鋪層過程中產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)載荷和纖維固化過程中產(chǎn)生的壓力。

        NCC的這一演示驗(yàn)證件為英國未來的太空推進(jìn)劑儲存罐研發(fā)提供了充分的研究基礎(chǔ),并有助于支持英國先進(jìn)復(fù)合材料儲存罐制造技術(shù)、部件和設(shè)備供應(yīng)鏈。

        另據(jù)相關(guān)報告,該領(lǐng)域未來的研究活動還將支持英國在全球太空市場份額增加5%。一份來自英國政府發(fā)布于2021年5月的工作報告顯示,英國太空行業(yè)相關(guān)收入從2016-2017年的148億英鎊增長到2018-2019年的164億英鎊。英國航天局的總結(jié)報告強(qiáng)調(diào),過去兩年(2019-2021年),英國航天部門創(chuàng)造了3000多個工作崗位。

        來源:航空工業(yè)信息網(wǎng)