在航天領(lǐng)域，設(shè)計與制造技術(shù)的進步正不斷推動材料革新，尤其是在壓力容器的開發(fā)上。V型壓力容器，無內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計目標(biāo)，是這一進步的明顯標(biāo)志。傳統(tǒng)的I至IV類壓力容器雖廣泛采用了金屬材料以確保氣體或液體的安全存儲，但這些容器的重量和成本始終是設(shè)計與應(yīng)用中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。與金屬容器相比，采用復(fù)合材料的容器在重量和成本方面都顯示出了顯著的優(yōu)勢，尤其是當(dāng)取消金屬內(nèi)襯后，貯箱的重量可以大幅度減輕。研究指出，將復(fù)合材料應(yīng)用于航天運載器的貯箱，可以實現(xiàn)20%至40%的結(jié)構(gòu)減重，這不僅能顯著降低運載火箭的成本，還能增加有效載荷的運載能力。因此，復(fù)合材料貯箱的研發(fā)和應(yīng)用，被視為未來航天運載器材料發(fā)展的重要方向，預(yù)示著航天材料技術(shù)的一次重大飛躍，向著更輕、更經(jīng)濟、更高效的目標(biāo)邁進。

目前，復(fù)合材料壓力容器主要分為兩大類：一是含內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器，二是無內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器，即全復(fù)合材料壓力容器。這兩類壓力容器都在國外的航天器上得到過應(yīng)用研究，具體情況見表。

在探索航天器壓力容器的發(fā)展過程中，專家們面臨著材料性能與結(jié)構(gòu)安全之間的復(fù)雜挑戰(zhàn)。尤其在含內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器的應(yīng)用上，歷史經(jīng)驗表明存在著顯著的技術(shù)難點。以X-33碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料液氫貯箱為例，1999年的地面試驗揭示了這種設(shè)計存在的一個重要問題：內(nèi)襯層的潛在失效。試驗中，貯箱的外襯層和蜂窩夾心層與內(nèi)襯層發(fā)生分離，導(dǎo)致了試驗的失敗。這一失敗的根本原因在于內(nèi)襯層復(fù)合材料聚合物基體出現(xiàn)了微裂紋。面對這一挑戰(zhàn)，無內(nèi)襯全復(fù)合材料壓力容器的概念應(yīng)運而生，其旨在通過取消內(nèi)襯來減輕貯箱的質(zhì)量，并盡可能避免內(nèi)襯失效的風(fēng)險。然而，即便是這種創(chuàng)新設(shè)計，微裂紋問題仍然是一個難以克服的技術(shù)難題。特別是在全復(fù)合材料低溫壓力容器，如球形壓力容器的應(yīng)用中，這一問題尤為突出。這類容器因其小巧的體積，被認為是實現(xiàn)長期太空探索和生存的關(guān)鍵技術(shù)。但是，當(dāng)這些容器用于存儲液氮或液氧等低溫流體時，復(fù)合材料層間由于極端溫度條件下熱膨脹系數(shù)的差異，容易發(fā)生層間剝離，引起微裂紋，進而可能導(dǎo)致泄漏。此外，許多樹脂在低溫條件下會變得更加脆弱，加劇了裂紋問題。雖然像NASA這樣的航天機構(gòu)已經(jīng)在月球著陸器等項目中采用了球形設(shè)計，但由于上述問題，目前所采用的解決方案依然是質(zhì)量更重、燃燒效率更低的金屬球體或球形金屬復(fù)合材料纏繞壓力容器（COPV）。因此，研制出既輕質(zhì)又能高效應(yīng)對極端條件的全復(fù)合材料壓力容器，成為了航天器壓力容器制造商和材料科學(xué)家共同追求的終極目標(biāo)，以期在確保安全的同時，提高航天任務(wù)的性能和成本效率。

在航天領(lǐng)域，推進劑的有效和安全存儲是實現(xiàn)深空探索和長期太空任務(wù)的關(guān)鍵。美國Infinite Composites Technologies（ICT）公司最近開發(fā)的CryoSphere技術(shù)，標(biāo)志著這一領(lǐng)域的重大突破。作為一家創(chuàng)立于2010年、原名為CleanNG的創(chuàng)新型企業(yè)，ICT公司專注于無內(nèi)襯全復(fù)合材料壓力容器的研發(fā)和生產(chǎn)，旨在通過先進的材料和制造技術(shù)，提供更輕質(zhì)、成本效益高且環(huán)境友好的解決方案。CryoSphere，這種球形無內(nèi)襯全復(fù)合材料低溫壓力容器的研發(fā)，解決了傳統(tǒng)金屬或有內(nèi)襯容器在極端低溫環(huán)境下容易出現(xiàn)的微裂紋問題。微裂紋的形成不僅會影響容器的結(jié)構(gòu)完整性，還可能導(dǎo)致貯存的推進劑泄露，增加任務(wù)失敗的風(fēng)險。通過采用先進的復(fù)合材料和無內(nèi)襯設(shè)計，CryoSphere能夠在極低溫度下保持良好的機械性能和密封性，為火箭低溫推進劑的安全貯存提供了可靠保證。ICT公司的這一技術(shù)突破基于其在復(fù)合材料壓力容器領(lǐng)域的深厚積累。公司自成立以來，就一直是通過AS9100D和ISO 9001:2015認證的無內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器制造商，這證明了其在設(shè)計、開發(fā)和制造高性能貯存系統(tǒng)方面的專業(yè)能力和質(zhì)量控制水平。特別是，公司在2013年獲得的美國俄克拉荷馬州科學(xué)技術(shù)進步中心（OCAST）資助，為低溫貯箱材料特性和測試提供了重要的研發(fā)資金支持，這一研究項目的成功，為CryoSphere的研發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。此外，ICT公司與美國國家航空航天局（NASA）的合作進一步驗證了其技術(shù)的先進性和應(yīng)用潛力。通過針對月球著陸器的低溫貯箱快速開發(fā)項目，ICT展示了其全復(fù)合材料低溫貯箱在極端條件下的卓越性能，盡管在初期測試中遇到了挑戰(zhàn)，但公司通過不懈的努力和創(chuàng)新，成功解決了微裂紋問題，展現(xiàn)了復(fù)合材料在航天器推進劑貯存領(lǐng)域的巨大潛力。綜上所述，ICT公司的CryoSphere技術(shù)不僅是材料科學(xué)和航天工程領(lǐng)域的一項重要創(chuàng)新，也為未來的太空探索和可持續(xù)性空間運輸提供了新的解決方案。通過優(yōu)化貯存系統(tǒng)的性能和安全性，該技術(shù)有望在推動人類探索宇宙的偉大征程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

Infinite Composites Technologies（ICT）公司推出的Infinite CPV（iCPV）是一種創(chuàng)新的V型無襯層復(fù)合材料壓力容器，采用圓柱形設(shè)計。這種設(shè)計旨在以最輕的重量滿足對重量極度敏感的應(yīng)用需求，特別適合需要高性能貯存解決方案的客戶。2020年，這種圓柱形的iCPV壓力容器已成功集成至某次火箭發(fā)射任務(wù)中，盡管出于保密考慮，具體的應(yīng)用細節(jié)未對外公開。iCPV代表了全復(fù)合材料設(shè)計的簡化，憑借其優(yōu)化的性能參數(shù)，成為在重量敏感型航天應(yīng)用中的理想選擇，體現(xiàn)了ICT公司在復(fù)合材料壓力容器領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和領(lǐng)先地位。

在2019年末，Infinite Composites Technologies（ICT）公司與NASA肯尼迪航天中心建立了合作關(guān)系，這一合作涉及提供兩個CryoSpheres球形低溫貯箱用于測試，這些貯箱的尺寸僅為Morpheus著陸器使用的圓柱形貯箱的一半。這一合作項目不僅展示了ICT公司在創(chuàng)新低溫貯存解決方案方面的領(lǐng)先技術(shù)，也體現(xiàn)了其產(chǎn)品在性能上的卓越表現(xiàn)。CryoSpheres的測試結(jié)果尤為引人注目。這些球形低溫貯箱不僅成功完成了所有預(yù)定的熱循環(huán)測試，而且在連續(xù)的循環(huán)測試中通過氦氣檢測，確認未出現(xiàn)微裂紋，這證明了其在極端條件下的可靠性和耐用性。此成果不僅驗證了ICT公司在設(shè)計和制造先進低溫貯箱方面的能力，也突顯了其產(chǎn)品在航天應(yīng)用中的潛力。值得注意的是，盡管還有其他三家供應(yīng)商參與了這一合同的競爭，但在ICT公司完成測試時，這些競爭對手尚未能夠研發(fā)出第一個貯箱原型。這一情況凸顯了ICT公司在技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品開發(fā)速度以及與重要合作伙伴如NASA的緊密合作方面的獨特優(yōu)勢，進一步鞏固了其在復(fù)合材料壓力容器領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

Infinite Composites Technologies (ICT)的發(fā)展歷程充分體現(xiàn)了外部資金支持對創(chuàng)新型航天技術(shù)企業(yè)成長的重要性。特別是，ICT獲得了NASA材料國際空間站實驗（MISSE）計劃的資金支持，該計劃旨在將試驗材料發(fā)送至國際空間站（ISS）進行空間環(huán)境下的實驗測試。為了滿足這一目標(biāo)，ICT專門設(shè)計并制造了直徑為63.5mm的球形壓力容器，這種特定尺寸的選擇既出于測試的便利性，也因其潛在的應(yīng)用于機器人氣動系統(tǒng)中。2020年2月，ICT向NASA蘭利高級研究中心交付了5個CryoSphere壓力容器。雖然最初計劃在2020年8月將這些容器通過MISSE計劃發(fā)射到國際空間站，但發(fā)射最終被推遲到了11月。一旦到達國際空間站，這些CryoSphere容器將被安置在空間站外部，并配備輻射傳感器進行為期約六個月的實驗，以測試材料在地球軌道環(huán)境下直接暴露于極端熱量和輻射條件的性能及其公差范圍。這一項目不僅對ICT在材料科學(xué)和工程領(lǐng)域的研究有著重要意義，也為航天器材料的開發(fā)提供了寶貴的數(shù)據(jù)，尤其是在提高難加工材料的加工速度、縮短制造周期以及通過增加設(shè)計復(fù)雜性來提升系統(tǒng)性能等方面。通過這種直接在太空環(huán)境中測試材料的方法，ICT能夠更準確地評估其產(chǎn)品的性能，進一步推動其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。