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2022-01-11
英國國家復合材料中心展示未來太空儲能罐技術

【據復合材料世界網站2021年12月22日報道】英國國家復合材料中心(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)聯合在“太空儲存罐”(SpaceTank)項目下制造了一種全復合材料無襯墊(俗稱“V型”)儲存罐演示驗證件。該部件將作為運載火箭和衛星推進劑儲存罐的基本型產品,與目前使用的傳統金屬推進劑儲存罐相比,重量預計可減輕30%。NCC表示,該演示驗證件展示了如何利用先進復合材料技術來減輕燃料儲存罐結構重量并降低衛星發射成本,體現了復合材料將在未來空間推進工程結構發揮的重要作用。

“太空儲存罐”項目為期一年,總體目標是基于英國本土的研發能力,獲得制造和檢測低溫壓力容器所需的技術,將開發一種全新制造解決方案,獲得低溫推進劑儲存罐。

航天行業對于復合材料在太空中發揮的關鍵作用形成了共識,一些公司已經開始探索復合材料在太空儲存罐設計中的應用。例如,美國Virgin軌道公司和新西蘭火箭實驗室公司(RocketLab)都分別研發并展示了復合材料燃料儲存罐作為發射器一號(Launcher One)火箭和“電子”(Electron)火箭中金屬燃料儲存罐的替代品。在澳大利亞,Omni Tanker公司與合作伙伴正在尋求開發復合材料無襯墊液氫儲存罐并計劃將其商業化。而在歐洲,德國MT航宇公司也已經研發材料和制造方法,并正在接受新型火箭燃料儲存罐的性能測試。NCC的“太空儲存罐”項目則有望將英國提升為該領域的主要參與者。

 

NCC開發的“太空儲存罐”演示驗證產品長750毫米,直徑為450毫米,流體存儲容量超過96升,壁厚為4.0-5.5毫米,這種設計使其能夠承受85巴加壓推進劑帶來的壓力。NCC透露,“太空儲存罐”碳纖維復合材料主體結構由總重量達到8千克,存在進一步優化減重的可能,其壓力等級可以通過使用更高強度的碳纖維和增加復合材料的厚度來實現。同時可以使用更薄,剛度更低的碳纖維復合材料制造,以應對一些中低端應用場景。

在“太空儲存罐”項目期間,NCC團隊開發了一種創新方法,將金屬流體閥端口的制造也納入到可沖洗消除的內芯模具中,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到碳纖維上。

“太空儲存罐”的主體結構使用美國SHD復合材料公司提供的MTC510環氧樹脂碳纖維預浸料,帶材寬度為300毫米。MTC510是一種環氧樹脂系列產品,在80℃到120℃之間固化,并且經過專門的增韌設計以提高其損傷容限。

“太空儲存罐”由英國Bindatex公司負責制造過程,該公司還對纖維帶進行了窄幅精密切割,并以6.35毫米的規格形成了長達22000米返回料,按照NCC的要求,這些返回料要在法國科里奧利公司提供自動纖維鋪放(AFP)制造系統中應用。

使用科里奧利AFP系統的長纖維纏繞工藝將裁剪后的窄纖維帶沉積到可沖洗消除的模具上。NCC工程師使用比利時Material’s Cadwind公司的纖維纏繞軟件設計了螺旋纏繞和環箍纏繞工藝組合,用于沉積超過24層的材料,達到標稱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演示驗證件。NCC后續可以增加或減少復合材料壁厚并改變纖維纏繞角度和層板結構,以按照不同的壓力或負載要求充分優化“太空儲存罐”結構。

在材料完成沉積后,研究人員立即檢查了NCC“太空儲存罐”是否存在缺陷和厚度變化。隨后將整體結構置于100℃下進行熱壓罐固化,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,對不同的制造方法進行對比,以檢查未來儲罐是否存在分層和孔隙等缺陷。最后,在完成無損檢測質量評估后,用加壓冷水沖洗并消除內部模具,使內槽形成空腔。

NCC表示,經過驗證,無內襯“太空儲存罐”的模具技術難度巨大,因此他們與英國AeroConsultants公司合作開發了一款使用該公司Aqua水溶性芯材的鑄造工藝制成的內部模具。模具具有內部陽模,標稱壁厚為30毫米,它被分為兩部分澆鑄而成,然后進行粘合。該模具內部擁有三個可清洗加強環,這些加強環的設計和制造有助于承受復合材料自動鋪層過程中產生的扭轉載荷和纖維固化過程中產生的壓力。

NCC的這一演示驗證件為英國未來的太空推進劑儲存罐研發提供了充分的研究基礎,并有助于支持英國先進復合材料儲存罐制造技術、部件和設備供應鏈。

另據相關報告,該領域未來的研究活動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布于2021年5月的工作報告顯示,英國太空行業相關收入從2016-2017年的148億英鎊增長到2018-2019年的164億英鎊。英國航天局的總結報告強調,過去兩年(2019-2021年),英國航天部門創造了3000多個工作崗位。

來源:航空工業信息網

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