熱塑性復(fù)合材料LH2罐

商業(yè)太空時代已經(jīng)到來并正在迅速發(fā)展，不僅追求更多的衛(wèi)星和空間站，還追求小行星采礦、太空制造和外星定居點。2022年上半年，太空飛行器發(fā)射總數(shù)為72次，有望打破2021年 135次的記錄。預(yù)計到2040年，這一數(shù)字將超過1,000。這一增長得益于SpaceX（美國）將發(fā)射成本從1970年到2000年的平均18500美元/公斤大幅削減到獵鷹9號的平均2500美元/公斤。預(yù)計獵鷹9重型的發(fā)射成本為1500美元/公斤。

除了削減成本，運載火箭的另一個關(guān)鍵目標是增加有效載荷。與傳統(tǒng)金屬油箱相比，碳纖維增強聚合物 (CFRP) 油箱可以減輕 20-40% 的重量。多家公司正在開發(fā)此類儲罐，包括波音公司（美國），該公司的全復(fù)合材料低溫推進儲罐已證明其技術(shù)準備水平 (TRL) 已達到6，通過了壓力循環(huán)測試和最大壓力測試——達到設(shè)計要求的3.75倍且沒有任何故障跡象。

這種熱固性復(fù)合材料罐直徑為4.3米，與美國宇航局太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）火箭上層的推進劑罐大小大致相同，該火箭旨在于2025年前將宇航員送上月球。德國航空航天中心（DLR）輕量化生產(chǎn)技術(shù)（德國）空間相關(guān)應(yīng)用項目經(jīng)理表示，瞄準此類火箭的上層是關(guān)鍵，因為你在上層燃料箱中節(jié)省的每一公斤都是可以讓你送入太空的有效載荷的一公斤。而較低的一級，即火箭助推器，在發(fā)射后落回地球，但上層完成了任務(wù)。

在2019-2020年的PROCOMP項目中，德國航天中心（DLR）開始進一步推廣使用碳纖維制造的 "黑色 "儲罐。DLR中心經(jīng)理繼續(xù)表示，我們的想法是使用熱塑性復(fù)合材料。由于它們在低溫環(huán)境下的延展性以及其他優(yōu)勢，如在自動化制造過程中的原位固結(jié)和無緊固焊接組裝。該方法實現(xiàn)了一種全新的兩件式設(shè)計，可以使你進入油罐內(nèi)部以保證質(zhì)量，并更容易安裝填充傳感器和推進管理系統(tǒng)等設(shè)備。后者包括圓周隔板，以防止低溫液體燃料的晃動，以及引導(dǎo)燃料到噴管的縱向葉片，以輸送到下面的火箭發(fā)動機。DLR通過制造一個小型演示機來驗證這一設(shè)計，該演示機使用低熔點聚芳基醚酮（LMPAEK）預(yù)浸帶的原位固結(jié)自動纖維放置（AFP），并使用磁帶輪廓傳感器和內(nèi)聯(lián)熱像儀進行100%檢測。

儲罐設(shè)計

自2018年以來，DLR一直致力于航天器的低溫液氫（LH2）存儲。DLR中心經(jīng)理介紹道，在PROCOMP中，我們問歐洲阿麗亞娜6號發(fā)射裝置的上層需要什么來使用復(fù)合液氫罐。雖然SpaceX已經(jīng)決定繼續(xù)使用金屬罐，但歐洲阿麗亞娜6號計劃將在2025-26年之前測試一種新的上層結(jié)構(gòu)，其液氧和液氫罐均由CFRP制成。

PROCOMP團隊從LH2所需的體積開始--大約5噸--然后我們根據(jù)我們已有的工具將其縮小?？s小成一個2米長、1.3米直徑的圓柱形液體罐，兩端呈圓弧狀。接下來，我們必須決定在哪里分割罐體，以開發(fā)我們想要的兩部分設(shè)計。我們有幾個不同的概念，但最終選擇了兩個圓頂中的一個，然后將其焊接到一個集成部件上，該部件由另一個圓頂與主罐體以及兩端的裙邊共同構(gòu)成。這些裙邊將罐體定位在多件式運載火箭內(nèi)，并幫助抵御發(fā)射、一級分離和后續(xù)飛行中的各種載荷。

正如SAMPE 歐洲2020論文 "熱塑性復(fù)合材料上級推進劑罐的精益生產(chǎn)工藝 "中所述，考慮到20開爾文（-253°C）的服務(wù)溫度和5巴的壓力，通過對不同的靜態(tài)和屈曲載荷情況進行建模，對該罐的層壓設(shè)計進行了評估。穹頂和主罐體將使用11層單向（UD）碳纖維增強（CF）LMPAEK膠帶，在0°（罐體縱軸）、±30°、±60°、±45°和90°處應(yīng)用，而罐體裙邊將增加到16層，并增加0°和90°層數(shù)以抵抗屈曲。每層的加固厚度為0.14毫米，穹頂和罐體的厚度為1.54毫米，由于在額外的0°/90°層中與穹頂有210毫米的重疊，裙部的厚度為2.38毫米。

DLR中心經(jīng)理表示，在收到有限元分析/應(yīng)力小組提供的油箱層壓設(shè)計后，我們必須檢查是否有可能使用我們的AFP設(shè)備制造油箱。所使用的設(shè)備是先進纖維鋪放技術(shù)（AFPT，德國）的多層鋪帶頭（MTLH），這是弗勞恩霍夫IPT（德國）公司的一個衍生產(chǎn)品，該公司自2007年以來一直專注于激光輔助繞帶（LATW）。DLR的MTLH可以應(yīng)用多達三個0.5英寸寬的膠帶，并安裝在一個六軸工業(yè)機器人上，能夠生產(chǎn)長4米、直徑3米的旋轉(zhuǎn)部件。

由于AFP頭的接觸范圍有限，我們確實不得不對鋪設(shè)進行一些調(diào)整。但這些都是小的修改。我們還測試了使用CF/LMPAEK膠帶作為第一層，但決定改用非增強的LMPAEK薄膜作為粘附層。我們希望有一個可以在未來自動連接的第一層，但也需要在穹頂區(qū)域有粘性，以便在放置過程中控制膠帶。

在那之后，第一個圓頂被放置并原位加固。然后將其從模具中移除（圖1）。接下來，我們制造第二個圓頂和儲罐的主要部分。在圖1中第二步所示的那兩條劃線處，我們稍微擴大了直徑，以便有空間容納第一個圓頂。我們通過在AFP鋪設(shè)該裙邊之前在工具上添加一條鋁帶來實現(xiàn)這一點。

這也幫助我們創(chuàng)造了一個鋒利的壁架來推動第一個穹頂，這樣我們就能知道它的焊接位置是否是正確的。然后我們在第二個穹頂上安裝了一個額外的工具，并使用AFP來建立第二個裙邊。我們把膠帶直接覆蓋在先前鞏固的儲罐和第二個穹頂?shù)囊徊糠稚稀?/span>

DLR中心經(jīng)理指出，這是熱塑性復(fù)合材料原位加固的一個優(yōu)勢。你總是可以用額外的材料添加到部件中。因此，整體部分包括兩個完整的裙邊、第二個穹頂和儲罐的主體。

有些人批評原位固結(jié)AFP是一個緩慢的過程，需要非常高質(zhì)量的膠帶來實現(xiàn)良好的層壓。這些觀點是合理的。在我們看來，只有當你真正利用了原位古街的好處后時，它才有意義。而且你必須使你的設(shè)計適應(yīng)原位加固的過程，這需要真正了解細節(jié)。如果你只是試圖修改高壓釜固結(jié)的熱塑性塑料部件或普通AFP熱固性預(yù)浸料部件的設(shè)計，這是無效的。

在整體罐體部分從模具中取出后，使用DLR開發(fā)的連續(xù)超聲波焊接技術(shù)，將第一個圓頂和完成的整體部分在焊接夾具中連接起來。項目的這一部分是由團隊的焊接專家曼紐爾·恩格爾沙爾領(lǐng)導(dǎo)。首先，我們?yōu)榈谝粋€圓頂配備了推進劑管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，DLR中心經(jīng)理說道。這些包括穹頂?shù)撞康膱A周輪廓和一系列彎曲的縱向葉片。我們用鋁制作這些，只是為了證明裝配概念。對于一個真正的儲罐，這些可以是復(fù)合材料，將非常類似于飛機機身的弦桿和框架，所以如何生產(chǎn)這些是眾所周知的。

實際的系統(tǒng)部件并不是重點，但使用圓周輪廓作為焊接的砧板是重點。我們需要它來達到鞏固熱塑性復(fù)合材料焊縫的壓力，我們還使用了一個額外的金屬結(jié)構(gòu)，易于插入和移除，只是為了確保我們有所需的剛度，因為工具不再提供穩(wěn)定性。然后我們焊接了一條圓周縫，以連接圓頂和整體部分。

PROCOMP使用的焊接系統(tǒng)包括一個高精度的KUKA(德國)機械臂，配有一個聲納桿，具有直徑25毫米的球形軸承表面。聲納桿將振動垂直地導(dǎo)向復(fù)合材料層壓板。我們在儲罐的外表面直接使用了超聲波喇叭。由于摩擦，熱量只在焊接接觸區(qū)域產(chǎn)生。我們在焊接的兩個表面之間插入了60微米厚的未強化LMPAEK層作為能量引導(dǎo)。

在連續(xù)超聲焊接中，通常使用能量導(dǎo)引器將能量集中在焊縫區(qū)域。與加固焊縫表面相比，整齊的樹脂增加了超聲波振動的阻尼，導(dǎo)致摩擦融化這些表面的基體。焊接速度為20-25毫米/秒，焊接力為400-600牛頓。

DLR中心經(jīng)理最后說到，在這個項目中，德國為飛機上儲存H2提供了大量資金?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)看到，這種興趣出現(xiàn)了爆炸式增長。波音公司正尋求將其熱固性復(fù)合材料冷凍罐應(yīng)用于零排放飛機的LH2存儲，而空客公司已宣布其第一架這種飛機將于2035年投入使用，多個開發(fā)中心的目標分別是在2023年和2026年對LH2罐進行地面和飛行測試。

我認為我們展示的關(guān)鍵優(yōu)勢甚至可以用于飛機上的LH2儲罐。它們很可能不會被整合到飛機機翼中，至少在最初的經(jīng)典設(shè)計版本中不會，因此它們將成為必須盡可能輕的額外結(jié)構(gòu)。在這樣的儲罐中使用碳纖維增強塑料可能有點不直觀，但我相信從長遠來看，這是我們唯一的解決方案，而熱塑性復(fù)合材料確實可能發(fā)揮關(guān)鍵作用。