低温燃料箱用聚合物复合材料

低温燃料箱用聚合物复合材料

1材料基础和材料低碳聚合物燃料箱是研究下一代空间的关键。复合材料低温燃料箱的应用可使运载器性能提高,成本降低,并且比铝合金燃料箱质量减轻20%~40%,能满足未来运载器净起飞质量最小化的要求。美国国家航空航天局(NASA)于2013年7月宣布完成了一项空间技术发展的里程碑,成功测试了1个大型加压低温推进剂复合材料燃料箱。这个燃料箱将为下一代火箭和太空探索所需要的航天器储存燃料。低温推进剂,是将气体冷却到低于冰点的温度,冷凝形成高度易燃液体,为人类未来长期的低轨道探索任务提供至关重要的高能量推进解决方案。液氧和液氢是传统的低温推进剂,可提供巨大的推力来发射大型火箭和航天飞机。在过去,推进剂燃料箱由金属制造。NASA马歇尔太空飞行中心测试的近2.44m直径的复合材料燃料箱显著降低运载火箭的成本和质量。新燃料储箱质量减轻30%,成本降低25%。质量的减轻提高了发射能力。通过大幅减轻质量,从金属到复合材料结构的转变可大幅提高未来空间系统的性能。复合材料技术的一个潜在初始目标应用是NASA太空发射系统(SLS)重型运载火箭上面级的升级。燃料箱的制造过程代表了一系列的工业突破。2臂的结构和工作要求2.1未来减少运输过程质量分数的迫切需要运载器结构一般由推进剂燃料箱,支撑结构和推进剂供给线系统构成。为了减轻运载器结构质量,增加运载量,大幅减轻运载器质量,下一代运载器的质量分数(结构质量与发射质量比)迫切要求降低以增加运载效率。可重复使用已经成为新型运载器降低发射成本的主要手段。2.2期装卸能力要求空间中超低温燃料箱液氢工作温度为-230℃,液氧工作温度为-183℃,复合材料低温燃料箱必须承受这样的低温并且抗微裂纹,满足长期装载能力要求。另外,燃料箱必须能承受空间大气环境侵蚀而不损失性能。可重复使用运载器系统在返回过程中温度超过170℃。高温是鼻锥整流罩、气动表面等复合材料结构的主要考虑因素,这些结构在发射过程中温度高达515℃。运载器主要载荷来自包括发动机驱动加速、气动载荷和振动声学载荷。燃料箱压力用于提高运载器结构稳定性,以可控速率推动推进剂进入供给线系统,并维护超低温液体燃料,大型运载器燃料箱压力在30~40psi。3燃料箱及供给管系统在空间探索和运载器中,复合材料比金属燃料箱及其结构减重达20%~40%。减重对于单级入轨运载器或在轨长期储存结构来说是必要的技术,并将在NASA未来空间中广泛采用。在液体燃料运载器的有效设计中,液氢燃料箱及供给管(feedline)系统工作温度为-230℃,液氧燃料箱及供给管系统工作温度为-183℃。对于可重复使用的运载器,返回时燃料箱及供给管要耐170℃的高温。燃料箱压力可用于改善运载器结构稳定性,将推进剂以可控流量压入供给管系统,维持燃料低温液体状态。大型运载器推进剂贮箱典型工作压力为207~276kPa,小型运载器燃料箱工作压力为520kPa或更高。3.1超低温催化剂复合材料应用于超低温燃料箱极其困难。层合板不仅要求结构有效,而且必须能装载超低温推进剂(如液氢、液氧)。在这种环境工作的燃料箱存在2个主要问题:(1)低温装载,(2)化学相容性,尤其与液氧的相容性。3.1.1织构层压板微裂纹的形成机理燃料箱盛装低温推进剂要考虑2个因素:一是渗透,即流体分子通过复合材料层压板扩散;二是泄漏,即液体或气体分子通过复合材料的泄漏通道流出。流体通过无微裂纹或内部缺陷的层压板时扩散速率很低,因此不必担心渗透性,但要重视泄漏性。为满足推进系统燃料箱盛装性要求,复合材料要无缺陷,因为缺陷会通过层压板产生泄漏通道。潜在的泄漏通道包括内部相连的孔隙,受机械破坏导致的穿透裂纹、分层,纤维与树脂基体之间微裂纹的积累。研究表明,即使非常小的局部孔隙也能引起显著的泄漏,因此盛装用的复合材料层压板要无孔隙。冲击破坏产生的沿厚度方向的局部裂纹是引起泄漏的另一个重要因素。在增韧环氧树脂基碳纤维增强复合材料中,即使受到6.8N·m的冲击破坏,也能产生泄漏通道。微裂纹也是引起低温燃料箱泄漏的1个重要因素。在碳纤维增强复合材料中,由于纤维与树脂的热膨胀系数(CTE)差异大,当复合材料冷却到低温时,巨大的内部拉伸应力要在树脂基体中积累。低温时传统树脂系统变得很脆,失效应变显著降低。降低的应变能力与来自CTE差异的热应变一起,能引起层压板微裂纹。用于低温推进系统的层压板不仅要耐很高的热应力与应变,还要耐作用于燃料箱压力及外载荷引起的机械应力与应变,不能因微裂纹使其性能下降。材料要在多次工作循环中耐机械应变与热应变的共同作用。3.1.2液氧相似性试验MichoudOperations已经与NASA合作开发出了与液氧相容的方法。根据此方法,MO已成功开发并验证了用于液氧燃料箱的材料,并用于X-34液氧燃料箱及供给线系统中。液氧相容性试验包括标准试验,例如液氧环境中的力学冲击、氧气中的力学冲击、低速颗粒冲击、摩擦和烟火冲击。为验证液氧中结构和装配的问题,还应进行大型试验。3.2双组分纤维充放电剂和压力器洛克希德马丁太空系统公司MichoudOpera-tions(MO)是大型超低温容器技术的世界领导者,MO在过去的25年里为太空运载器制造了多部容器。MO为X-33、X-34及其他未来运载器开发复合材料超低温推进剂燃料箱和控制系统。过去20年,MO已为空间运载器开发了很多复合材料结构,空间运载器主要复合材料结构见表1和图1。3.2.1试样应变分析液氢燃料箱(图2)长1.8m,直径0.9m,由预浸带纤维铺设,高压釜固化。燃料箱盛装液氢后完成了13周的低温压力循环,应变水平与飞行中要求一致。试验后,对从燃料箱壁层压板上切下的试样进行观察,有一些层中有少量微裂纹,与试验前分析预测的相一致。该试验成功证明复合材料层压板能用于盛装液氢经受反复低温循环的高应变环境。3.2.2燃料箱无液氢泄漏试验作为X-33/冒险星单级运载器计划的一部分,开发了直径3m,长5.1m的双瓣燃料箱(图3)。该燃料箱筒身采用预浸带纤维铺放(图4),高压釜固化。两端封头手工铺放与筒身共固化。沿筒身的加强筋手工铺放,高压釜单独固化,然后粘接到燃料箱表面。在NASA斯坦尼斯空间中心进行了总共78次低温循环(图5),然后在NASA格伦研究中心进行了试验,在燃料箱隔板区域未发现泄漏。该试验不仅包括增压充填液氢,还包括推进剂致密化试验,即将过冷液氢通过燃料箱循环以进一步冷却及致密化燃料箱中的液氢,便于盛装更多的液氢。试验后对从燃料箱壁面层压板上取样进行观察,层间有少量微裂纹,与试验前分析预测的相一致。其它试验包括成功验证了双瓣之间的轻型螺栓连接。该连接能使燃料箱为两半结构,并且比粘接连接强度更高、密封性更优、质量更轻。试验过程中监测连接,无液氢泄漏。燃料箱最易产生泄漏的地方为粘接连接引起的不连续区域,如封头与筒身连接处以及叶型弯曲到中央隔板处。MO开发了确保满足防泄漏要求的燃料箱检验方法和维修技术。3.2.3半保角燃料箱为了将燃料箱安装于形状复杂的空间探测和单级定轨运载器上,MO研究了1种半保角燃料箱(图6)。这种创新性设计采用夹层复合材料结构,可允许压力容器有平面或任意曲面,与同容积多瓣燃料箱质量相同。3.2.4试验验证及结果MO完成了X-34技术验证器用复合材料液氧燃料箱的开发、制造和评估,这是第1个全尺寸飞行认证的全复合材料液氧燃料箱,连接件、密封件、堵盖、阀、管腔及供给管、内封头等部件都是全尺寸的。探路者(Pathfinder)燃料箱(图7)试验件除了只有1个内封头外,其余与飞行件相同。对探路者进行了以下试验:(1)5周低温循环验证,加压到765kPa,其中在液氮中循环1周,在液氧中循环4周;(2)47周低温寿命循环验证(每周增压5次),加压到510kPa,其中在液氮中循环1周,在液氧中循环46周;(3)52周低温循环验证,其中在液氮中循环2周,在液氧中循环50周。另外在低温环境完成了240次增压循环。对燃料箱筒身、前封头、连接、盖板、螺栓进行试验,结果表明,无泄漏迹象。用氦气包检验前封头及筒身,无泄漏。氮气中衰减率表明后封头气体泄漏区域没有降级,为0.14~0.2kPa/min。试验证明重复使用复合材料液氧燃料箱是可行的。3.3复合材料的应用推进系统其它部件如供给管、盖板、二次增压燃料箱等也采用了复合材料,这显著减轻了系统质量。但对复合材料提出了新的要求,如更大的局部载荷,装配和拆装要求及与其它部件的精确界面连接等。3.3.1外燃料箱/内燃料箱一体化复合材料封装复合材料复合材料供给管不仅要满足低温燃料箱的所有技术要求,而且要求结构轻质。MO开发并测试了1个直径43cm,长1.2m的复合材料供给管,供给管装配了一体化的复合材料法兰,复合材料供给管比全铝合金供给管质量轻25%。这是为满足航天飞机外燃料箱43cm液氧供给管需求。该供给管是目前飞行用最大的管,供给管成功通过了1.6倍极限载荷试验,未出现泄漏和失效。3.3.2材料箱的开发复合材料盖板存在一些技术难点,如低温时保持盖板上螺栓的夹紧力或预载荷有一定难度,复合材料层压板沿厚度方向热膨胀系数过高,在低温时同一温度范围的层压板厚度的改变要比螺栓长度改变大,层压板失去夹紧力等;MO开发了专有技术来有效解决这些问题。另外,对盖板周边进行有效密封非常重要。MO开发验证了几种结构能在低温环境下耐高载荷,同时保持密封。在X-33液氢低温燃料箱中验证了盖板(图8)的关键技术。为飞行验证,将1个盖板在外载荷作用下经历了47周低温/压力循环,夹紧力未损失,盖板周边无泄漏。试验后又将该盖板低温加载到50%的过压力及50%额外的载荷,仍未见泄漏。制造了具有不同通路结构的4块盖板,都成功通过了验收试验,经历了液氢环境加载到25%过压的三周试验。设计、制造、评估了X-34技术验证器用复合材料液氧燃料箱盖板,在液氧中低温循环50周耐泄漏和极限压力。3.3.3用双组分、双液循环、激光全息照像法测量液氧燃料箱在液氧/液氢运载器上使用加热的氦气对液氧容器增压,可以显著减轻系统质量。对于X-33和冒险星可重复使用运载器,高压氦气容器(图9)放于液氢燃料箱内。在给定燃料箱体积内低温冷却能使氦气要比室温时多装14倍。燃料箱中的氦气通过热交换器受热膨胀,对液氧燃料箱增压。采用复合材料缠绕容器可以使系统极大减重。MO利用专利技术,开发钛内衬的复合材料缠绕燃料箱,并在液氢高压环境下进行了评估。试验中燃料箱完成了5