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2022-01-11
英国国家复合材料中心展示未来太空储能罐技术

【据复合材料世界网站2021年12月22日报道】英国国家复合材料中心(NCC)与法国航空航天制造商泰雷兹阿莱尼亚太空公司(Thales Alenia Space)联合在“太空储存罐”(SpaceTank)项目下制造了一种全复合材料无衬垫(俗称“V型”)储存罐演示验证件。该部件将作为运载火箭和卫星推进剂储存罐的基本型产品,与目前使用的传统金属推进剂储存罐相比,重量预计可减轻30%。NCC表示,该演示验证件展示了如何利用先进复合材料技术来减轻燃料储存罐结构重量并降低卫星发射成本,体现了复合材料将在未来空间推进工程结构发挥的重要作用。

“太空储存罐”项目为期一年,总体目标是基于英国本土的研发能力,获得制造和检测低温压力容器所需的技术,将开发一种全新制造解决方案,获得低温推进剂储存罐。

航天行业对于复合材料在太空中发挥的关键作用形成了共识,一些公司已经开始探索复合材料在太空储存罐设计中的应用。例如,美国Virgin轨道公司和新西兰火箭实验室公司(RocketLab)都分别研发并展示了复合材料燃料储存罐作为发射器一号(Launcher One)火箭和“电子”(Electron)火箭中金属燃料储存罐的替代品。在澳大利亚,Omni Tanker公司与合作伙伴正在寻求开发复合材料无衬垫液氢储存罐并计划将其商业化。而在欧洲,德国MT航宇公司也已经研发材料和制造方法,并正在接受新型火箭燃料储存罐的性能测试。NCC的“太空储存罐”项目则有望将英国提升为该领域的主要参与者。

 

NCC开发的“太空储存罐”演示验证产品长750毫米,直径为450毫米,流体存储容量超过96升,壁厚为4.0-5.5毫米,这种设计使其能够承受85巴加压推进剂带来的压力。NCC透露,“太空储存罐”碳纤维复合材料主体结构由总重量达到8千克,存在进一步优化减重的可能,其压力等级可以通过使用更高强度的碳纤维和增加复合材料的厚度来实现。同时可以使用更薄,刚度更低的碳纤维复合材料制造,以应对一些中低端应用场景。

在“太空储存罐”项目期间,NCC团队开发了一种创新方法,将金属流体阀端口的制造也纳入到可冲洗消除的内芯模具中,从而不需任何二次组装或粘接等其他步骤。这些流体阀端口固定在新型模具中,使它们能够在制造过程的后期直接连结到碳纤维上。

“太空储存罐”的主体结构使用美国SHD复合材料公司提供的MTC510环氧树脂碳纤维预浸料,带材宽度为300毫米。MTC510是一种环氧树脂系列产品,在80℃到120℃之间固化,并且经过专门的增韧设计以提高其损伤容限。

“太空储存罐”由英国Bindatex公司负责制造过程,该公司还对纤维带进行了窄幅精密切割,并以6.35毫米的规格形成了长达22000米返回料,按照NCC的要求,这些返回料要在法国科里奥利公司提供自动纤维铺放(AFP)制造系统中应用。

使用科里奥利AFP系统的长纤维缠绕工艺将裁剪后的窄纤维带沉积到可冲洗消除的模具上。NCC工程师使用比利时Material’s Cadwind公司的纤维缠绕软件设计了螺旋缠绕和环箍缠绕工艺组合,用于沉积超过24层的材料,达到标称5.5毫米的厚度。在这里使用的纤维缠绕厚度、方向以及角度仅针对演示验证件。NCC后续可以增加或减少复合材料壁厚并改变纤维缠绕角度和层板结构,以按照不同的压力或负载要求充分优化“太空储存罐”结构。

在材料完成沉积后,研究人员立即检查了NCC“太空储存罐”是否存在缺陷和厚度变化。随后将整体结构置于100℃下进行热压罐固化,并再次重新检查。固化后采用超声波C扫描和热成像无损检测技术,对不同的制造方法进行对比,以检查未来储罐是否存在分层和孔隙等缺陷。最后,在完成无损检测质量评估后,用加压冷水冲洗并消除内部模具,使内槽形成空腔。

NCC表示,经过验证,无内衬“太空储存罐”的模具技术难度巨大,因此他们与英国AeroConsultants公司合作开发了一款使用该公司Aqua水溶性芯材的铸造工艺制成的内部模具。模具具有内部阳模,标称壁厚为30毫米,它被分为两部分浇铸而成,然后进行粘合。该模具内部拥有三个可清洗加强环,这些加强环的设计和制造有助于承受复合材料自动铺层过程中产生的扭转载荷和纤维固化过程中产生的压力。

NCC的这一演示验证件为英国未来的太空推进剂储存罐研发提供了充分的研究基础,并有助于支持英国先进复合材料储存罐制造技术、部件和设备供应链。

另据相关报告,该领域未来的研究活动还将支持英国在全球太空市场份额增加5%。一份来自英国政府发布于2021年5月的工作报告显示,英国太空行业相关收入从2016-2017年的148亿英镑增长到2018-2019年的164亿英镑。英国航天局的总结报告强调,过去两年(2019-2021年),英国航天部门创造了3000多个工作岗位。

来源:航空工业信息网