1 引言

航天运载器作为能够将人造卫星、空间站、载人飞船等航天器送入太空的重要飞行载具，其先进性标志着一个国家航天科技发展水平与国防实力[1]。降低发射成本和提高运载能力是未来航天器的发展目标，比如可重复使用飞行器（RLV）、低成本航天器（ELV）、单级入轨航天器（SSTO）等，这就需要将航天器的发射总重量降到最低。美国航空航天局（NASA）发现，只有发射净重与总重量之比小于0.092时才能实现航天器的可重复使用[2, 3]。为了实现高运载力、低成本航天器的发展，首先必须解决的就是飞行器整体重量过大的问题。低温推进剂贮箱是航天运载器最大的结构部件，占火箭结构重量的60%左右，是航天运载器主要的减重部件（如图1），其轻质化水平决定着运载器的主要性能指标[4-6]。

图1新型复合材料低温推进剂贮箱

传统的航天器均采用金属材料作为低温推进剂贮箱的结构材料，其发展历程经历了铝镁合金、铝铜合金和铝锂合金三个阶段，随着新一代航天飞行器的发展，各航天大国提出需要对低温推进剂贮箱进行减重的苛刻要求，而传统的金属材料无法满足这一要求[7-9]。随着复合材料技术的高速发展以及在航空航天领域的逐步应用，特别是冷热循环力学性能优异的高性能复合材料体系的出现，使得全复合材料无内衬低温贮箱成为轻量化航天运载器的主要发展趋势[10-13]。碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）具有高比强度和比模量、低密度和热导率、耐腐蚀和疲劳性等优点（如表1所示），在制造轻质低温贮箱的众多候选材料中，CFRP已经在航空航天领域广泛应用，正逐步替代金属材料用来制造航天飞行器的关键部件[14, 15]。用CFRP替代传统的金属材料能够实现低温贮箱结构减重20%~40%，并且减重效果随着贮箱尺寸的增大而显著提高[16, 17]。另外，全复合材料低温推进剂贮箱可以采用先进的成型工艺从而可以大幅减少零部件的装配，能够实现提高生产效率、缩短生产周期、降低生产成本的目标[18]。

表1 复合材料与传统金属材料性能对比[1]

2 复合材料低温贮箱的研究现状

由于复合材料推进剂贮箱相较于金属材料贮箱具有巨大优势，近年来已经成为各航天大国低温贮箱发展的重要趋势。2016年11月3日长征五号运载火箭的成功发射成为我国迈向航天强国的标志和里程碑。航天科技事业的发展是一个国家综合国力的体现，积极研发全复合材料低温推进剂贮箱对巩固我国的航天强国地位具有十分重要的意义。

2.1 国外复合材料低温贮箱的研究进展

20世纪80年代，国外开始了全复合材料推进剂贮箱的研究，并逐步开展液氢和液氧等低温复合材料贮箱的研究。1987年，针对国家航天飞机以及SSTO飞行器计划，美国麦道航天公司（MDA）开始开展碳纤维增强树脂基复合材料液氢贮箱的相关研究，从复合材料的低温力学性能和液氢分子渗漏两大方向进行攻关，于20世纪90年代中期制备出复合材料液氢贮箱。1996年，MDA公司首次将全复合材料液氢贮箱应用在DC-XA亚轨道飞行器中，该贮箱使用IM7碳纤维增强8552-2韧性环氧树脂复合材料，采用预浸料铺放工艺制备了贮箱壳段和箱底两个部分，之后使用腹带接头拼接在一起。贮箱直径为2.4 m，长度为4.8 m，结构为常规圆柱体结构（图2（a）），该飞行器进行了4次飞行试验后，在着陆时坠毁[4, 19]。

20世纪90年代，洛克希德ž马丁公司（LM）将研制的碳纤维增强树脂基复合材料液氢贮箱（图2（b））应用于美国X-33飞行器，该贮箱为多瓣蜂窝夹层结构，贮箱长8.8 m，底部宽5.5 m、长6.7 m的壳段与前后叉形环及三个半球形顶盖通过热压工艺粘接成型，夹层面板为碳纤维/环氧树脂（IM7/977-2）复合材料，蜂芯采用Korex新型高性能酚醛蜂窝芯材。1999年，LM公司使用液氢对X-33贮箱进行压力循环测试，2小时后发现外壳与蜂窝夹层分层，其原因是液氢通过复合材料内部产生的微裂纹发生渗漏，且蜂窝夹层与外壳之间的粘接力不足从而导致试验失败[1, 20]。

2004年，LM公司为液氧贮箱研究领域带来了突破性进展，成功研制出全复合材料无内衬液氧贮箱（图2（c））。该复合材料液氧贮箱采用碳纤维缠绕工艺制备成型，贮箱直径1.2 m，长度2.7 m，总质量为225 kg，相较于金属贮箱减重18%。LM公司研制出了专门用于液氧推进剂贮箱的高性能环氧树脂，该树脂具有优异的耐低温开裂性、液氧相容性和抗渗漏性等特点。该贮箱通过了模拟实际使用状态的测试，且对该贮箱循环充放液氧52次未出现开裂、泄漏等问题[2, 21]。

2005年，Wilson公司采用湿法缠绕工艺成型了复合材料液氧贮箱（图2（d））。液氧贮箱面临的关键问题是当受到冲击、摩擦时液氧（强助燃剂）容易与材料发生爆炸、燃烧等敏感性反应，因此制备液氧贮箱的结构材料必须能够完全与液氧相容。美国标准中将材料与液氧接触后在正常使用过程中不发生爆燃等敏感性反应的现象称为液氧相容性。Wilson公司研究发现氰酸酯（CE）具备良好的液氧相容性，因此采用韧性环氧/氰酸酯作为基体树脂制备了全复合材料液氧贮箱，该贮箱壁厚为2.0~2.6 mm，直径1.2 m，长1.8 m，贮箱工作压力为0.69 MPa[22, 23]。

2012年，波音公司为NASA进行了直径2.4 m和5.5 m的复合材料低温贮箱的研制，采用自动纤维铺放技术和非热压罐技术成型。直径5.5米级复合材料贮箱（图2（e）），箱体直径5.5 m，总长5.8 m，容量约107 m3，采用5320-1环氧树脂/IM7碳纤维复合材料体系制成。该贮箱于2014年通过了压力及温度测试[24, 25]。

2016年，美国Space X公司制造出了航天历史上最大的复合材料液氧贮箱（图2（f）），该贮箱直径为12 m且通过了低温加压测试[26]。另外，欧洲航天局的FLPP计划和FESTIP计划、日本的SSTO计划和HOPE-X计划均涉及到了复合材料推进剂贮箱的研制工作[27]。

图2 国外复合材料低温推进剂贮箱的研究进展[5]

2.2 国内复合材料低温贮箱的研究进展

早在1969年，我国就开展了有关复合材料贮箱的研究，采用不锈钢为内衬，玻璃纤维增强环氧树脂复合材料为壳体材料，但之后在该领域无实质性的技术突破。直到2002年，哈尔滨工业大学研发制造了我国第一个含内衬H2O2复合材料样件，并进行了低温压力测试。随后众多国内研究院所和高校都针对复合材料低温贮箱的关键性技术开展相关研究工作，力争早日将复合材料贮箱的基础研究转化为工程应用[1, 28]。国防科技大学研究了聚合物的液氧相容性机理，通过阻燃改性获得了与液氧相容的环氧树脂基体及树脂基复合材料[29-33]。哈尔滨工业大学开展了树脂基体及其复合材料的超低温力学性能和液氧相容性研究，采用向树脂中引入双酚A型氰酸酯、苯并噁嗪和抗氧剂的方法改善树脂的液氧相容性[34, 35]。重庆大学采用添加热塑性树脂、纳米橡胶、石墨烯等方法对环氧树脂的超低温力学性能进行增韧增强改性，经力学测试证明改性后复合材料的低温力学性能显著提高[5, 36-38]。大连理工大学采用多种分析表征方法探究了液氧冲击过程中树脂与液氧的相互作用机理。通过引入不同种类与含量的树脂、固化剂、特种元素、阻燃剂和纳米材料等方法对聚合物的液氧相容性进行了探究，首先获得了与液氧相容的环氧树脂体系[39, 40]。2018年，“大型复合材料航天运载器贮箱一体化制造基础”成为国家重点研发计划的变革性关键科学技术问题[41]。2021年1月，中国运载火箭技术研究院制造出我国首个直径3.35 m复合材料低温液氧贮箱原理样机，该贮箱采用自动铺丝工艺成型，相较于金属贮箱强度更高，减重30%，能够显著提高火箭的结构效率和运载能力，是一种新型轻质贮箱。同期，大连理工大学通过自动铺丝工艺制备出直径3.35 m的复合材料液氧贮箱样件，该贮箱采用自主研发的液氧环境用预浸料制备而成，目前正在开展相关的测试工作[43]。北京理工大学近年来也开展了耐低温环氧树脂改性的研究，提出了一种双体系大分子网络互穿和链间化学交联机制的树脂体系设计方法，制备了室温和超低温综合力学性能优异的新型增韧环氧树脂，并建立了兼顾增韧和阻燃功能的新型含磷/氮反应型阻燃剂设计与合成方法，揭示了两种阻燃剂对于环氧树脂的超低温力学性能及液氧相容性的作用机理，最终优选出了液氧相容的耐低温环氧树脂体系，制备了碳纤维增强树脂基复合材料，探明了树脂及复合材料的热物性能演化规律，丰富了耐超低温及液氧相容环氧树脂的体系。制备出性能优异的树脂基体制备成碳纤维复合材料，其在室温和超低温下各项力学性能均优于纯环氧树脂，制备的碳纤维复合材料在室温下的拉伸强度、弹性模量、弯曲强度、弯曲模量、层间剪切强度和冲击韧性分别比纯环氧树脂提高了32.7%、30.1%、63.5%、27.0%、53.0%和41.4%，超低温下分别比纯环氧树脂提高了35.2%、20.5%、65.2%、25.4%、49.0%和33.7%[42]。

3 总结与展望

我国在制造与应用大直径复合材料低温贮箱的过程中仍面临很多关键问题[43, 44]。低温推进剂贮箱需要承受严苛的推进剂超低温环境，比如液氢环境（-253℃）和液氧环境（-183℃），同时针对液氧环境又要防止复合材料与液氧不相容而引起爆炸，另外需要严格预防推进剂发生渗漏现象以保证贮箱结构正常运行[14,49]。在此背景下，需要行业部门和高校紧密合作，从工程技术层面及科学理论方面，从树脂体系、成型工艺、测试评价方法等方面持续深入开展研究，为我国复合材料在低温贮箱及其他低温领域的应用发展提供技术基础，助推进航天大国发展。

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