【国际前沿】美国公司研发出月球着陆器用碳纤维复合材料低温V型储罐

众所周知，美国国家航空航天局（NASA）已经启动了重返月球的阿尔忒弥斯（Artemis）计划，根据规划，“阿尔忒弥斯”载人探月计划分三个阶段进行：第一阶段将会把“猎户座”飞船送入环绕月球飞行的轨道主要任务是技术测试，第二阶段也就是“阿尔忒弥斯”2号计划将于2024年进行，虽然为载人任务，但它不会在月球表面着陆，而第三阶段的“阿尔忒弥斯”3号计划在2025年进行，将会把宇航员送往月球的表面。

而随着阿尔忒弥斯计划的每次发射任务，都让人类离重返月球更近了一步。总部位于美国得克萨斯州休斯顿的Intuitive Machines公司是NASA商业月球有效载荷交付服务（Commercial Lunar Payload Delivery Services，CLPS）计划的供应商之一，正在准备其Nova-C月球着陆器，并于2023年11月中旬在SpaceX猎鹰9号运载火箭上进行定向发射。

此次的IM-1任务有望在月球南极附近着陆一个未折叠的月球着陆器，并可以展示导航、着陆和通信技术。该任务还将研究火箭羽流如何与月球表面和着陆场的太空天气环境相互作用，而该着陆点正在为将宇航员送上月球的阿尔忒弥斯III号任务进行评估。

据悉，IM-1任务创造了多项“第一”。Intuitive Machines公司的飞船不仅将是自1972年阿波罗17号任务以来第一艘登陆月球的美国航天器，它还将是第一艘商业月球着陆器。Nova-C也将成为第一艘在太空环境中使用液氧（LO2）/液态甲烷（LCH4）推进系统的飞行器。

源于诸多原因，LO2/LCH4推进系统引起了人们的兴趣。它被认为是一种潜在的“更环保”的传统推进方案的替代者。基于甲烷的推进系统具有较高的比冲（ISP），即每秒释放的力，但其密度只被允许储存在较小的储罐中。此外，外太阳系中甲烷含量丰富，为火星及其他地区的任务提供了燃料。然而，使用这种组合需要能够承受低温的储罐——LO2和LCH4的沸点分别为-183ºC和-162ºC。两种燃料所需的极端温度给这种推进系统带来了工程挑战。

因此，合理选择储罐类型成为Intuitive Machines公司一个重要的考虑因素。由金属制成的I型压力容器增加了有效载荷的额外重量，而由复合材料外覆金属的II型和III型储罐（composite overwrapped pressure vessel，COPV）在经历极端温度循环时会发生分层和脆化。因此，Intuitive Machines公司开始探索使用V型压力容器执行任务的可能性。

目前，部分V型压力容器已被用于工业储气罐，以及天然气和氢燃料电池汽车，它由碳纤维复合材料制成并且是无衬里结构。它的轻质全复合材料结构使其适用于重量直接影响燃油效率和车辆性能的应用。复合材料也经常被选择用于需要高强度重量比和耐腐蚀性的应用。此外，V型容器设计用于处理极高的压力，通常超过700巴（10000psi）或更高。这使它们能够在一个相对小而轻的容器中储存大量的压缩气体。

为了将复合材料罐整合到Nova-C月球着陆器，Intuitive Machines求助于美国加利福尼亚州的Scorpius Space Launch 公司，该公司是一家独特的V型压力容器设计制造商，采用适用于低温用途的一体式结构。SSLC的Pressurmaxx储罐已在低至-196°C的低温和高达8000 psi的压力下成功进行了测试。

作为开发和认证过程的一部分，Intuitive Machines对SSLC的Pressurmaxx复合无衬里储罐进行了150多项不同的测试，对储罐进行了温度循环、振动和冲击测试。

相关负责人介绍，SSLC制造的储罐重量明显低于传统方案，这可以使Intuitive Machines能够向月球表面输送更多的质量，并将为人类可持续重返月球铺平道路。

现如今，碳纤维已经成为轻量化的代名词，这确实是太空飞行的一个重要考虑因素，但还有许多其他优点使这种材料成为太空应用的好选择。

SSLC总裁兼首席执行官Markus Rufer指出：不少人认为使用碳纤维的唯一原因是因为它更轻，但实际上这只是其中的一个有点，比如碳纤维复合材料储罐不会腐蚀，它几乎对太空中所有化学物质都具有完全的抵抗力。

此外，由于材料在航天飞行中承受的极端温度范围很广，以及使用低温推进剂，因此所使用的任何材料都必须能够承受温度的剧烈变化。这是SSLC压力容器一体式设计的另一个优点。

储罐采用SSLC专有的蓝宝石77低温树脂系统和Hexcel (Stamford, Conn, U.S.)碳纤维制成，不含金属、紧固件、焊缝或额外的密封剂。虽然树脂配方是专有的，但Rufer说，原料和碳纤维材料是复合材料工业中常用的。

SSLC的储罐设计成统一的结构，不需要任何额外的支撑元件。由于复合材料相对于金属结构具有非常低的热膨胀系数（CTE），因此最大限度地减少了围绕这些问题进行设计的需要。Pressurmaxx容器可保持数千磅/平方英寸的压力，与航空航天应用中使用的所有常见流体和气体兼容，温度范围为-196°C至77°C。该储罐采用SSLC专有的Sapphire 77低温树脂系统和美国Hexcel碳纤维建造，不含金属、紧固件、焊缝或其他密封剂。

Intuitive Machine公司选择LO2/LCH4作为Nova-C着陆器的推进和转向系统的一个考虑因素是：越来越多的环保意识延伸到太空探索领域。一些传统的用于推进系统的物质，如肼的毒性很大。相比之下，LCH4燃烧产生的废气主要由水组成，二氧化碳和氮氧化物含量最低。这使它成为目前燃烧最清洁的火箭推进剂之一，仅次于氢气。

Nova-C配备了两个SSLC Pressurmaxx储罐，一个包含LCH4，另一个包含LO2。虽然该系统并非完全无排放，但与传统推进系统相比，它是一个非常清洁的系统。

当SSLC在21世纪初开始开发其储罐时，它开始着手解决V型压力容器可能出现的众多问题，比如气体泄漏，它们可以保持压力，但一旦开始进行温度循环，就会在相对较低的压力下开始出现泄漏，可能是50-70psi。在使用液氮进行测试时，则无法保持压力，出现了微裂纹问题。

当时，许多储罐都是由两个用腹带连接的两半制成的，很难确保由此产生的接头完全无泄漏。此外，储罐极凸台开口上的法兰通常是金属的，这会导致具有不同CTE的相邻复合材料出现问题，因为储罐呈现出与法兰不同的速率收缩或膨胀的趋势。

当有两种不同类型的材料想要在一个接头中相互竞争时，这意味着它会失败。因此，公司在早期就开始用碳纤维复合材料制造凸台（boss），并也放弃了腹带方法，并为该接头设计了不同的技术。目前，SSLC已经开发了自主研发的基于嵌缝的储罐半体连接方法。

虽然选择IM-1任务中的燃料箱主要是为了减轻重量和低温性能，但SSLC希望这次任务将有助于为实现一种全新的航天器铺平道路。SSLC对使用推进剂罐作为运载工具主要承载元件的火箭设计特别感兴趣。

根据Rufer的介绍，该公司的储罐配置将初级和次级支撑结构结合为一个单一的推进剂储罐中，该储罐比传统储罐更轻、更硬、更强。SSLC的全碳纤维复合材料储罐包括极凸台（包括凸台螺纹）、外部结构桁条和内部防溅挡板等功能。因为这些储罐是一体式结构，它们可以有效地成为运载火箭或航天器的主要结构。

SSLC的姐妹公司Microcosm公司正在使用Pressurmaxx储罐作为基础，设计包括单个集成碳纤维结构的整个航天器。在与SSLC的合作中，Microcosm开发了一种用于小型卫星的组合式结构/推进剂储罐，称之为一体加压复合材料结构（unibody pressurized composite structure，UPCS）。

航天器的结构集成了推进剂罐，不需要任何类型的额外支撑元件，但仍然可以轻松安装各种有效载荷和总线子系统。根据不同的结构，该解决方案可将航天器整体质量降低20-40%。

虽然传统的航天器设计和推进系统具有飞行传统的优势，但Rufer认为一种使推进罐能够作为航天器主体发挥双重作用的方法是未来的发展方向，他希望IM-1任务是朝着充分发挥V型出挂潜力迈出的一步。