IT之家1月24日消息 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院宣布，1 月 22 日，我國(guó)首個(gè) 3.35 米直徑復(fù)合材料貯箱原理樣機(jī)在火箭院誕生。該貯箱主要應(yīng)用在液氧環(huán)境下，相比金屬貯箱可減重 30%，強(qiáng)度更高，能夠大幅提高火箭的結(jié)構(gòu)效率和運(yùn)載能力，是一種新型輕質(zhì)貯箱。

復(fù)合材料貯箱原理樣機(jī)的誕生，標(biāo)志著我國(guó)打破國(guó)外壟斷，成為全球少數(shù)幾個(gè)具備復(fù)合材料貯箱設(shè)計(jì)制造能力的國(guó)家。

▲圖13.35 米直徑復(fù)合材料貯箱原理樣機(jī)

據(jù)介紹，該項(xiàng)目是由火箭院總體設(shè)計(jì)部抓總，航天材料及工藝研究所與國(guó)內(nèi)多個(gè)高校共同參與的典型 “產(chǎn)、學(xué)、研”聯(lián)合攻關(guān)項(xiàng)目，研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)兩年多，攻克了十大關(guān)鍵技術(shù)。

復(fù)合材料液氧貯箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

低溫復(fù)合材料細(xì)觀損傷力學(xué)分析技術(shù)

多尺度復(fù)合材料滲漏抑制技術(shù)

低溫液氧相容樹(shù)脂體系制備技術(shù)

分瓣式可拆卸復(fù)合材料工裝設(shè)計(jì)制造技術(shù)

復(fù)合材料工裝精確裝配技術(shù)

高精度自動(dòng)鋪放技術(shù)

超薄預(yù)浸料制備技術(shù)

復(fù)合材料法蘭密封技術(shù)

復(fù)合材料可靠粘接密封技術(shù)

▲圖2用于拆裝復(fù)合材料組合式工裝的型架

相比于金屬貯箱減重 30%

貯箱作為火箭結(jié)構(gòu)重量占比最大的部段，其減重對(duì)火箭運(yùn)載能力的提升具有重大意義。

材料小知識(shí)

復(fù)合材料的密度為 1.7g/cm 左右，鋁合金密度為 2.8g/cm ，鋁鋰合金密度為 2.7g/cm ，復(fù)合材料的比強(qiáng)度是鋁合金的 8 倍，是鋁鋰合金的 6 倍。

IT之家獲悉，在航天領(lǐng)域，我國(guó)現(xiàn)役火箭的部分部段就大量采用復(fù)合材料，減輕了結(jié)構(gòu)重量。

復(fù)合材料與當(dāng)前火箭貯箱結(jié)構(gòu)采用的金屬材料相比，具有密度更小、比強(qiáng)度更高、抗疲勞強(qiáng)度更好等優(yōu)勢(shì)。相比于金屬貯箱，復(fù)合材料貯箱可以減重 30% 左右，可大幅降低結(jié)構(gòu)重量，提升火箭運(yùn)載能力。因此，發(fā)展復(fù)合材料貯箱是實(shí)現(xiàn)火箭減重目的的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是國(guó)際航天大國(guó)爭(zhēng)相探索的新領(lǐng)域。

3.35 米直徑復(fù)合材料貯箱原理樣機(jī)的成功研制，標(biāo)志著我國(guó)掌握了從復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料制備到成形制造的全鏈路技術(shù)流程，成為全球少數(shù)幾個(gè)具備復(fù)合材料貯箱設(shè)計(jì)制造能力的國(guó)家。

與應(yīng)用于液氫液氧環(huán)境下的金屬貯箱相比，復(fù)合材料貯箱主要應(yīng)用在特定的液氧環(huán)境下，可以用在火箭末級(jí)。據(jù)資料顯示，火箭末級(jí)貯箱每減重 1 公斤，意味著運(yùn)載能力提升 1 公斤。而且復(fù)合材料貯箱具有生產(chǎn)工序少、周期短等優(yōu)勢(shì)。從國(guó)外的研究成果來(lái)看，相比于金屬貯箱，采用復(fù)合材料貯箱可降低火箭綜合成本 25%。

未來(lái)，復(fù)合材料貯箱在火箭末級(jí)推廣應(yīng)用，將能大幅提升火箭的運(yùn)載能力，對(duì)探索降低火箭成本具有深遠(yuǎn)影響。

低溫復(fù)合材料貯箱

一、概述

運(yùn)載火箭低溫推進(jìn)劑貯箱是運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的核心，也是發(fā)動(dòng)機(jī)的能量來(lái)源。復(fù)合材料以其輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)漸漸被應(yīng)用于運(yùn)載火箭的低溫推進(jìn)劑貯箱結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料低溫推進(jìn)劑貯箱能使可重復(fù)使用飛行器性能提高，降低發(fā)射成本，可以比鋁合金貯箱質(zhì)量減輕20%-40%，滿足未來(lái)飛行器凈起飛重量最小的要求。設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和研制低溫復(fù)合材料貯箱已成為進(jìn)行下一代空間探索飛行器研究的關(guān)鍵一步。鑒于低溫復(fù)合材料貯箱工作環(huán)境的惡劣性，必須對(duì)其進(jìn)行安全、高效、長(zhǎng)壽命的設(shè)計(jì)。

▲圖3美國(guó)DC-XA計(jì)劃中的航天器液氫貯箱及內(nèi)部貯箱

然而，在液體燃料運(yùn)載器的設(shè)計(jì)中，液氧燃料貯箱工作環(huán)境為-183℃，復(fù)合材料貯箱必須滿足上述低溫條件，而且當(dāng)可重復(fù)使用運(yùn)載器返回時(shí)，復(fù)合材料貯箱及供給管系統(tǒng)要承受170℃的高溫，溫度變化很大（這就是所謂的“熱震循環(huán)”），在設(shè)計(jì)時(shí)必須全面考慮在此較大的溫度范圍內(nèi)復(fù)合材料貯箱的應(yīng)用可靠性。用于低溫推進(jìn)系統(tǒng)的復(fù)合材料層合板需要承載很高的熱應(yīng)力和熱應(yīng)變，同時(shí)也要承載作用于貯箱的壓力及外載荷引起的機(jī)械應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)變，在多次工作的循環(huán)中材料要承受機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力的共同作用。因此對(duì)可重復(fù)使用飛行器低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)安全、高效、長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)中所面臨的基礎(chǔ)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究是很有必要的。

除了考慮溫度變化的影響，低溫復(fù)合材料貯箱還要滿足復(fù)合材料液氧化學(xué)相容性的要求。相比金屬材料，樹(shù)脂基復(fù)合材料具有更強(qiáng)的抗氧化能力，但燃點(diǎn)、閃點(diǎn)、熱分解溫度等性能均低于金屬，相關(guān)研究表明，復(fù)合材料只要選用合適的樹(shù)脂體系，還是可以滿足液氧相容性要求的。液氧相容性試驗(yàn)包括在液氧中機(jī)械沖擊、氣態(tài)氧中機(jī)械沖擊、高速顆粒沖擊、摩擦及煙火沖擊等。

▲圖4LM公司的復(fù)合材料液氧貯箱外觀及液氧加注測(cè)試

二、國(guó)內(nèi)外關(guān)于低溫復(fù)合材料貯箱研制的進(jìn)展

不同于傳統(tǒng)鋁合金焊接裝配貯箱設(shè)計(jì)，復(fù)合材料貯箱設(shè)計(jì)重點(diǎn)是在分析其全壽命周期載荷工況下復(fù)合材料基體微裂紋萌生和損傷擴(kuò)展的基礎(chǔ)上，通過(guò)有效的設(shè)計(jì)手段防止其所盛裝的低溫推進(jìn)劑的泄漏。

國(guó)外很多學(xué)者多從宏觀尺度上進(jìn)行低溫復(fù)合材料貯箱漸進(jìn)失效分析，國(guó)內(nèi)學(xué)者多從細(xì)觀尺度上進(jìn)行分析，在分析過(guò)程中很多都考慮拉伸載荷作用下復(fù)合材料漸進(jìn)失效的過(guò)程，雖然考慮復(fù)合材料失效形式比較全面，但是分析復(fù)合材料失效的失效準(zhǔn)則并不統(tǒng)一?？梢?jiàn)當(dāng)前對(duì)復(fù)合材料的非線性力學(xué)行為研究還不完備，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)復(fù)合材料性能和復(fù)合材料局部損傷之間的關(guān)系研究并不詳盡，而且沒(méi)有考慮載荷對(duì)損傷程度和類(lèi)型的影響，也沒(méi)有通過(guò)載荷來(lái)評(píng)估復(fù)合材料的殘余剛度和強(qiáng)度，更為遺憾的是，大部分研究者主要分析在室溫條件下的復(fù)合材料漸進(jìn)失效過(guò)程。

通過(guò)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀對(duì)比和未來(lái)發(fā)展需求來(lái)看，我國(guó)在低溫復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)方面亟待開(kāi)展和系統(tǒng)化，應(yīng)盡快開(kāi)展相關(guān)研究，建立起一套完整的評(píng)價(jià)低溫復(fù)合材料貯箱漸進(jìn)失效模型、多尺度分析模型以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與準(zhǔn)則，為我國(guó)可重復(fù)使用航天飛行器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)低溫復(fù)合材料貯箱的設(shè)計(jì)和研制奠定理論基礎(chǔ)，為國(guó)家深空探測(cè)與太空戰(zhàn)略提供有力技術(shù)支撐。

三、低溫復(fù)合材料貯箱未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

低溫推進(jìn)系統(tǒng)的高推重比以及復(fù)合材料貯箱的高效減重特點(diǎn)，決定了低溫復(fù)合材料貯箱成為未來(lái)主要的發(fā)展方向。復(fù)合材料應(yīng)用于貯箱的制造需要解決低溫疲勞、熱震損傷、泄漏、液氧相容性以及先進(jìn)制造技術(shù)等技術(shù)難題。這些技術(shù)問(wèn)題涉及到復(fù)合材料微觀力學(xué)、高分子材料、復(fù)合材料設(shè)計(jì)、先進(jìn)制造技術(shù)等多學(xué)科，是一項(xiàng)復(fù)雜的工程。

從現(xiàn)有研究來(lái)看，新材料的發(fā)展和應(yīng)用直接推動(dòng)著低溫貯箱技術(shù)的發(fā)展。未來(lái)低溫復(fù)合材料貯箱發(fā)展會(huì)向著大型化、輕量化、多元化發(fā)展。隨著液氫、液氧貯箱技術(shù)的突破，液態(tài)甲烷貯箱也將隨著甲烷推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展而得到應(yīng)用?？梢源_定的是，一旦低溫復(fù)合材料貯箱獲得應(yīng)用，將為航天飛行器的未來(lái)發(fā)展帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。

從我國(guó)目前復(fù)合材料應(yīng)用成熟程度來(lái)看，我國(guó)航天運(yùn)載器要實(shí)現(xiàn)低溫貯箱的復(fù)合材料化，應(yīng)分兩大階段：

第一階段：復(fù)合材料基礎(chǔ)研究向應(yīng)用研究進(jìn)行轉(zhuǎn)化。將針對(duì)材料本身的研究轉(zhuǎn)化為針對(duì)產(chǎn)品需求的研究，此階段需要解決復(fù)合材料貯箱的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，此階段成熟的標(biāo)志是研制出滿足設(shè)計(jì)要求的復(fù)合材料貯箱原理樣機(jī)并通過(guò)試驗(yàn)考核；

第二階段：復(fù)合材料貯箱在型號(hào)中的應(yīng)用，考慮到材料、工藝等基礎(chǔ)條件的建設(shè)，應(yīng)采用分步走的方法，初步將此階段分為三步進(jìn)行：

第一步，制備小直徑含內(nèi)襯的低溫復(fù)合材料貯箱，直徑在φ1m-φ2m，貯存常規(guī)液體推進(jìn)劑，以目前小型運(yùn)載火箭貯箱、上面級(jí)貯箱等為主要應(yīng)用背景，運(yùn)載能力提高5%左右；

第二步，發(fā)展大直徑無(wú)內(nèi)襯常低溫復(fù)合材料貯箱，直徑在φ3m-φ10m，貯存煤油、液態(tài)甲烷、液氧等推進(jìn)劑為主，以我國(guó)目前在研運(yùn)載火箭以及未來(lái)重型運(yùn)載火箭為應(yīng)用背景，運(yùn)載能力提高10%以上；

第三步，發(fā)展大直徑超低溫?zé)o內(nèi)襯復(fù)合材料貯箱，以貯存液氫為主，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)未來(lái)運(yùn)載火箭所有貯箱的復(fù)合材料化，運(yùn)載能力提高15%以上。

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