英國國家復(fù)合材料中心（NCC）與法國航空航天制造商泰雷茲阿萊尼亞太空公司（Thales Alenia Space）聯(lián)合在“太空儲(chǔ)存罐”（SpaceTank）項(xiàng)目下制造了一種全復(fù)合材料無襯墊（俗稱“V型”）儲(chǔ)存罐演示驗(yàn)證件。該部件將作為運(yùn)載火箭和衛(wèi)星推進(jìn)劑儲(chǔ)存罐的基本型產(chǎn)品，與目前使用的傳統(tǒng)金屬推進(jìn)劑儲(chǔ)存罐相比，重量預(yù)計(jì)可減輕30%。NCC表示，該演示驗(yàn)證件展示了如何利用先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)來減輕燃料儲(chǔ)存罐結(jié)構(gòu)重量并降低衛(wèi)星發(fā)射成本，體現(xiàn)了復(fù)合材料將在未來空間推進(jìn)工程結(jié)構(gòu)發(fā)揮的重要作用。
“太空儲(chǔ)存罐”項(xiàng)目為期一年，總體目標(biāo)是基于英國本土的研發(fā)能力，獲得制造和檢測低溫壓力容器所需的技術(shù)，將開發(fā)一種全新制造解決方案，獲得低溫推進(jìn)劑儲(chǔ)存罐。
航天行業(yè)對(duì)于復(fù)合材料在太空中發(fā)揮的關(guān)鍵作用形成了共識(shí)，一些公司已經(jīng)開始探索復(fù)合材料在太空儲(chǔ)存罐設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。例如，美國Virgin軌道公司和新西蘭火箭實(shí)驗(yàn)室公司（RocketLab）都分別研發(fā)并展示了復(fù)合材料燃料儲(chǔ)存罐作為一級(jí)火箭和“電子”（Electron）火箭中金屬燃料儲(chǔ)存罐的替代品。在澳大利亞，Omni Tanker公司與合作伙伴正在尋求開發(fā)“V型”液氫儲(chǔ)存罐并計(jì)劃將其商業(yè)化。而在歐洲，德國MT航宇公司也已經(jīng)研發(fā)材料和制造方法，并正在接受新型火箭燃料儲(chǔ)存罐的性能測試。NCC的“太空儲(chǔ)存罐”項(xiàng)目則有望將英國提升為該領(lǐng)域的主要參與者。
NCC開發(fā)的“太空儲(chǔ)存罐”演示驗(yàn)證產(chǎn)品長750毫米、直徑為450毫米、流體存儲(chǔ)容量超過96升、壁厚為4.0-5.5毫米，這種設(shè)計(jì)使其能夠承受85巴加壓推進(jìn)劑帶來的壓力。NCC透露，“太空儲(chǔ)存罐”碳纖維復(fù)合材料主體結(jié)構(gòu)總重量達(dá)到8千克，存在進(jìn)一步優(yōu)化減重的可能，其壓力等級(jí)可以通過使用更高強(qiáng)度的碳纖維和增加復(fù)合材料的厚度來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)可以使用更薄、剛度更低的碳纖維復(fù)合材料制造，以應(yīng)對(duì)一些中低端應(yīng)用場景。
在“太空儲(chǔ)存罐”項(xiàng)目期間，NCC團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種創(chuàng)新方法，將金屬流體閥端口的制造也納入到可去除的芯模，從而不需任何二次組裝或粘接等其他步驟。這些流體閥端口固定在新型模具中，使它們能夠在制造過程的后期直接連結(jié)到碳纖維上。
“太空儲(chǔ)存罐”的主體結(jié)構(gòu)使用美國SHD復(fù)合材料公司提供的MTC510環(huán)氧樹脂碳纖維預(yù)浸料，帶材寬度為300毫米。MTC510是一種環(huán)氧樹脂系列產(chǎn)品，在80℃到120℃之間固化，并且經(jīng)過專門的增韌設(shè)計(jì)以提高其損傷容限。
“太空儲(chǔ)存罐”由英國Bindatex公司負(fù)責(zé)制造，該公司還對(duì)纖維帶進(jìn)行了窄幅精密切割，并以6.35毫米的規(guī)格形成了長達(dá)22000米分切帶，按照NCC的要求，這些分切帶要在法國科里奧斯公司提供自動(dòng)纖維鋪放（AFP）制造系統(tǒng)中應(yīng)用。
使用科里奧斯AFP系統(tǒng)的長纖維纏繞工藝將裁剪后的窄纖維帶沉積到可去除的模具上。NCC工程師使用比利時(shí)Material’s Cadwind公司的纖維纏繞軟件設(shè)計(jì)了螺旋纏繞和環(huán)箍纏繞工藝組合，用于沉積超過24層的材料，達(dá)到標(biāo)稱5.5毫米的厚度。在這里使用的纖維纏繞厚度、方向以及角度僅針對(duì)演示驗(yàn)證件。NCC后續(xù)可以增加或減少復(fù)合材料壁厚并改變纖維纏繞角度和層板結(jié)構(gòu)，以按照不同的壓力或負(fù)載要求充分優(yōu)化“太空儲(chǔ)存罐”結(jié)構(gòu)。
在材料完成沉積后，研究人員立即檢查了NCC“太空儲(chǔ)存罐”是否存在缺陷和厚度變化。隨后將整體結(jié)構(gòu)置于100℃下進(jìn)行熱壓罐固化，并再次重新檢查。固化后采用超聲波C掃描和熱成像無損檢測技術(shù)，對(duì)不同的制造方法進(jìn)行對(duì)比，以檢查未來儲(chǔ)罐是否存在分層和孔隙等缺陷。最后，在完成無損檢測質(zhì)量評(píng)估后，用加壓冷水沖洗并去除內(nèi)部模具，使內(nèi)槽形成空腔。
NCC表示，經(jīng)過驗(yàn)證，無內(nèi)襯“太空儲(chǔ)存罐”的模具技術(shù)難度巨大，因此他們與英國Aero Consultants公司合作開發(fā)了一款使用該公司Aqua水溶性芯材的鑄造工藝制成的內(nèi)部模具。模具具有內(nèi)部陽模，標(biāo)稱壁厚為30毫米，它被分為兩部分澆鑄而成，然后進(jìn)行粘合。該模具內(nèi)部擁有三個(gè)可清洗加強(qiáng)環(huán)，這些加強(qiáng)環(huán)的設(shè)計(jì)和制造有助于承受復(fù)合材料自動(dòng)鋪層過程中產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)載荷和纖維固化過程中產(chǎn)生的壓力。
NCC的這一演示驗(yàn)證件為英國未來的太空推進(jìn)劑儲(chǔ)存罐研發(fā)提供了充分的研究基礎(chǔ)，并有助于支持英國先進(jìn)復(fù)合材料儲(chǔ)存罐制造技術(shù)、部件和設(shè)備供應(yīng)鏈。
另據(jù)相關(guān)報(bào)告，該領(lǐng)域未來的研究活動(dòng)還將支持英國在全球太空市場份額增加5%。一份來自英國政府發(fā)布于2021年5月的工作報(bào)告顯示，英國太空行業(yè)相關(guān)收入從2016-2017年的148億英鎊增長到2018-2019年的164億英鎊。英國航天局的總結(jié)報(bào)告強(qiáng)調(diào)，過去三年（2019-2021年），英國航天部門創(chuàng)造了3000多個(gè)工作崗位。
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