碳纤维热塑性复合材料储罐问世

热塑性复合材料LH2罐

商业太空时代已经到来并正在迅速发展，不仅追求更多的卫星和空间站，还追求小行星采矿、太空制造和外星定居点。2022年上半年，太空飞行器发射总数为72次，有望打破2021年 135次的记录。预计到2040年，这一数字将超过1,000。这一增长得益于SpaceX（美国）将发射成本从1970年到2000年的平均18500美元/公斤大幅削减到猎鹰9号的平均2500美元/公斤。预计猎鹰9重型的发射成本为1500美元/公斤。

除了削减成本，运载火箭的另一个关键目标是增加有效载荷。与传统金属油箱相比，碳纤维增强聚合物 (CFRP) 油箱可以减轻 20-40% 的重量。多家公司正在开发此类储罐，包括波音公司（美国），该公司的全复合材料低温推进储罐已证明其技术准备水平 (TRL) 已达到6，通过了压力循环测试和最大压力测试——达到设计要求的3.75倍且没有任何故障迹象。

这种热固性复合材料罐直径为4.3米，与美国宇航局太空发射系统（SLS）火箭上层的推进剂罐大小大致相同，该火箭旨在于2025年前将宇航员送上月球。德国航空航天中心（DLR）轻量化生产技术（德国）空间相关应用项目经理表示，瞄准此类火箭的上层是关键，因为你在上层燃料箱中节省的每一公斤都是可以让你送入太空的有效载荷的一公斤。而较低的一级，即火箭助推器，在发射后落回地球，但上层完成了任务。

在2019-2020年的PROCOMP项目中，德国航天中心（DLR）开始进一步推广使用碳纤维制造的 "黑色 "储罐。DLR中心经理继续表示，我们的想法是使用热塑性复合材料。由于它们在低温环境下的延展性以及其他优势，如在自动化制造过程中的原位固结和无紧固焊接组装。该方法实现了一种全新的两件式设计，可以使你进入油罐内部以保证质量，并更容易安装填充传感器和推进管理系统等设备。后者包括圆周隔板，以防止低温液体燃料的晃动，以及引导燃料到喷管的纵向叶片，以输送到下面的火箭发动机。DLR通过制造一个小型演示机来验证这一设计，该演示机使用低熔点聚芳基醚酮（LMPAEK）预浸带的原位固结自动纤维放置（AFP），并使用磁带轮廓传感器和内联热像仪进行100%检测。

储罐设计

自2018年以来，DLR一直致力于航天器的低温液氢（LH2）存储。DLR中心经理介绍道，在PROCOMP中，我们问欧洲阿丽亚娜6号发射装置的上层需要什么来使用复合液氢罐。虽然SpaceX已经决定继续使用金属罐，但欧洲阿丽亚娜6号计划将在2025-26年之前测试一种新的上层结构，其液氧和液氢罐均由CFRP制成。

PROCOMP团队从LH2所需的体积开始--大约5吨--然后我们根据我们已有的工具将其缩小。缩小成一个2米长、1.3米直径的圆柱形液体罐，两端呈圆弧状。接下来，我们必须决定在哪里分割罐体，以开发我们想要的两部分设计。我们有几个不同的概念，但最终选择了两个圆顶中的一个，然后将其焊接到一个集成部件上，该部件由另一个圆顶与主罐体以及两端的裙边共同构成。这些裙边将罐体定位在多件式运载火箭内，并帮助抵御发射、一级分离和后续飞行中的各种载荷。

正如SAMPE 欧洲2020论文 "热塑性复合材料上级推进剂罐的精益生产工艺 "中所述，考虑到20开尔文（-253°C）的服务温度和5巴的压力，通过对不同的静态和屈曲载荷情况进行建模，对该罐的层压设计进行了评估。穹顶和主罐体将使用11层单向（UD）碳纤维增强（CF）LMPAEK胶带，在0°（罐体纵轴）、±30°、±60°、±45°和90°处应用，而罐体裙边将增加到16层，并增加0°和90°层数以抵抗屈曲。每层的加固厚度为0.14毫米，穹顶和罐体的厚度为1.54毫米，由于在额外的0°/90°层中与穹顶有210毫米的重叠，裙部的厚度为2.38毫米。

DLR中心经理表示，在收到有限元分析/应力小组提供的油箱层压设计后，我们必须检查是否有可能使用我们的AFP设备制造油箱。所使用的设备是先进纤维铺放技术（AFPT，德国）的多层铺带头（MTLH），这是弗劳恩霍夫IPT（德国）公司的一个衍生产品，该公司自2007年以来一直专注于激光辅助绕带（LATW）。DLR的MTLH可以应用多达三个0.5英寸宽的胶带，并安装在一个六轴工业机器人上，能够生产长4米、直径3米的旋转部件。

由于AFP头的接触范围有限，我们确实不得不对铺设进行一些调整。但这些都是小的修改。我们还测试了使用CF/LMPAEK胶带作为第一层，但决定改用非增强的LMPAEK薄膜作为粘附层。我们希望有一个可以在未来自动连接的第一层，但也需要在穹顶区域有粘性，以便在放置过程中控制胶带。

在那之后，第一个圆顶被放置并原位加固。然后将其从模具中移除（图1）。接下来，我们制造第二个圆顶和储罐的主要部分。在图1中第二步所示的那两条划线处，我们稍微扩大了直径，以便有空间容纳第一个圆顶。我们通过在AFP铺设该裙边之前在工具上添加一条铝带来实现这一点。

这也帮助我们创造了一个锋利的壁架来推动第一个穹顶，这样我们就能知道它的焊接位置是否是正确的。然后我们在第二个穹顶上安装了一个额外的工具，并使用AFP来建立第二个裙边。我们把胶带直接覆盖在先前巩固的储罐和第二个穹顶的一部分上。

DLR中心经理指出，这是热塑性复合材料原位加固的一个优势。你总是可以用额外的材料添加到部件中。因此，整体部分包括两个完整的裙边、第二个穹顶和储罐的主体。

有些人批评原位固结AFP是一个缓慢的过程，需要非常高质量的胶带来实现良好的层压。这些观点是合理的。在我们看来，只有当你真正利用了原位古街的好处后时，它才有意义。而且你必须使你的设计适应原位加固的过程，这需要真正了解细节。如果你只是试图修改高压釜固结的热塑性塑料部件或普通AFP热固性预浸料部件的设计，这是无效的。

在整体罐体部分从模具中取出后，使用DLR开发的连续超声波焊接技术，将第一个圆顶和完成的整体部分在焊接夹具中连接起来。项目的这一部分是由团队的焊接专家曼纽尔·恩格尔沙尔领导。首先，我们为第一个圆顶配备了推进剂管理系统结构，DLR中心经理说道。这些包括穹顶底部的圆周轮廓和一系列弯曲的纵向叶片。我们用铝制作这些，只是为了证明装配概念。对于一个真正的储罐，这些可以是复合材料，将非常类似于飞机机身的弦杆和框架，所以如何生产这些是众所周知的。

实际的系统部件并不是重点，但使用圆周轮廓作为焊接的砧板是重点。我们需要它来达到巩固热塑性复合材料焊缝的压力，我们还使用了一个额外的金属结构，易于插入和移除，只是为了确保我们有所需的刚度，因为工具不再提供稳定性。然后我们焊接了一条圆周缝，以连接圆顶和整体部分。

PROCOMP使用的焊接系统包括一个高精度的KUKA(德国)机械臂，配有一个声纳杆，具有直径25毫米的球形轴承表面。声纳杆将振动垂直地导向复合材料层压板。我们在储罐的外表面直接使用了超声波喇叭。由于摩擦，热量只在焊接接触区域产生。我们在焊接的两个表面之间插入了60微米厚的未强化LMPAEK层作为能量引导。

在连续超声焊接中，通常使用能量导引器将能量集中在焊缝区域。与加固焊缝表面相比，整齐的树脂增加了超声波振动的阻尼，导致摩擦融化这些表面的基体。焊接速度为20-25毫米/秒，焊接力为400-600牛顿。

DLR中心经理最后说到，在这个项目中，德国为飞机上储存H2提供了大量资金。现在，我们已经看到，这种兴趣出现了爆炸式增长。波音公司正寻求将其热固性复合材料冷冻罐应用于零排放飞机的LH2存储，而空客公司已宣布其第一架这种飞机将于2035年投入使用，多个开发中心的目标分别是在2023年和2026年对LH2罐进行地面和飞行测试。

我认为我们展示的关键优势甚至可以用于飞机上的LH2储罐。它们很可能不会被整合到飞机机翼中，至少在最初的经典设计版本中不会，因此它们将成为必须尽可能轻的额外结构。在这样的储罐中使用碳纤维增强塑料可能有点不直观，但我相信从长远来看，这是我们唯一的解决方案，而热塑性复合材料确实可能发挥关键作用。