航天低温复合材料贮箱国内外研究现状分析

航天低温复合材料贮箱相比于传统的金属贮箱,减重可达20%~40%,为下一代低成本、高运载力、可回收航天器的研究开发提供了可能。通过对发展航天低温复合材料贮箱的必然性和其所具备的显著优势进行分析,从需求背景、结构参数、制造工艺等方面介绍了近30年来发达国家在该领域取得的成果以及存在的一些问题,针对这些问题提出了相应的解决方法,并对我国低温复合材料贮箱的发展与研究进行了展望。

航天低温复合材料贮箱渗漏性能研究现状

大型航天低温推进剂贮箱由"金属"到"复合材料"的更新换代已成为世界航天工业发展的主要趋势。凭借复合材料在质量和成本方面的巨大优势,大型航天低温复合材料贮箱被认为是未来火星探测、载人登月等大型航天任务的重要保障。然而,复合材料贮箱在低温服役条件下产生的渗漏现象,是其目前面临的技术瓶颈之一,严重制约复合材料贮箱全面服役。从实验研究和理论研究两个方面介绍近20年来国内外主要研究机构及团队在该领域开展的相关研究及取得的成果,在此基础上对复合材料渗漏机理进行归纳总结,进一步给出通过复合材料体系研发、铺层方式改进以及成型工艺优化等提高复合材料抗渗性的解决方案,并对未来复合材料渗漏性能的研究和发展方向进行展望。

用于航天器贮箱的复合材料层合板低速冲击损伤及其渗漏规律研究

得益于优异的力学性能和减质优势,贮箱复合材料化已成为新一代航天器的重要特征之一,而复合材料贮箱的冲击后渗漏问题须要重点关注。针对一种用于航天器贮箱的含表层机织布复合材料层合板,通过依次开展低速冲击试验、C扫描损伤检测和氦质谱渗漏检测,获取不同能量冲击后层合板的内部分层损伤和渗漏率,并对比分析了机织布分别置于冲击侧和背侧时层合板的渗漏规律。结果表明,将机织布层置于冲击背侧时,层合板的冲击渗漏门槛值显著提高,且发生渗漏时出现目视可见损伤。

复合材料低温贮箱渗漏检测试验

为了提高运载火箭的运输效率以及降低火箭发射成本,采用复合材料贮箱代替金属贮箱是最直接、最有效的方式。低温复合材料贮箱呈现明显的渗漏失效先于结构承载失效的特点,必须采用先进的渗漏性检测方法对复合材料贮箱进行渗漏性检测及漏率判定。本论文开展了复合材料低温贮箱渗漏检测试验系统平台搭建工作并对复合材料缩比低温贮箱进行了渗漏检测试验,获取到复合材料缩比低温贮箱在重复打压、反复加泄低温介质和带低温介质振动、液氧浸泡情况下的渗漏变化规律,对影响复合材料缩比贮箱结构渗漏的主要因素进行了研究和分析,论文工作对复合材料低温贮箱的渗漏检测和结构设计具有十分重要的意义。

大型运载火箭低温复合材料贮箱设计研究进展

不同于传统铝合金焊接装配贮箱设计,复合材料贮箱设计重点是在分析其全寿命周期载荷工况下复合材料基体微裂纹萌生和损伤扩展的基础上,通过有效的设计手段防止其所盛装的低温推进剂(LOX、LH2)泄漏。本文分别对低温用树脂基复合材料及其性能、复合材料贮箱设计准则、贮箱主要部段的结构设计等方面进行了综述,并对复合材料贮箱发展前景进行了展望。

国外低温复合材料贮箱渗漏性能研究进展

对低温复合材料贮箱渗漏性能的研究背景、最新发展方向、研究现状进行了概述,重点介绍了复合材料低温微裂纹特性、复合材料低温渗漏性能及其机理模型。研究表明:选用低模量碳纤维、减小树脂基体与碳纤维的线胀系数差别、协同提高树脂基体的低温韧性和强度、减少预浸料单层厚度、增大复合材料铺层角度,可以减少复合材料低温微裂纹,从而降低复合材料低温渗漏率。

低温推进剂复合材料贮箱基体开裂预测方法

基于六边形单胞模型,构建了宏细观结构力学响应场间的关联矩阵,建立了低温推进剂复合材料贮箱结构的宏细观一体化分析方法,采用工程常用的能够预测不同失效模式的宏细观强度准则,对机械和温度载荷下复合材料层合板的基体开裂进行预测。结果表明:在机械载荷下,与试验数据相比,宏观Hashin准则、改进的宏观Tsai-Wu准则、细观最大应力准则和细观Hashin准则均具有良好的预测精度。但在温度载荷下,由于考虑了组分材料间热力学性能的不匹配,使用细观强度准则与宏观强度准则预测的结果相比具有一定差异。通过对不同载荷情况下基体开裂预测结果的分析,提出了采用细观最大应力准则作为基体开裂判据,同时结合考虑组分材料热力学性能差异影响的宏细观一体化分析方法,可以有效地对低温推进剂复合材料贮箱结构的基体开裂进行预测。

碳纤维增强树脂基复合材料低温贮箱抗渗漏性研究进展

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有轻质高强的特性,将其应用于航天运载器贮箱中,能够显著降低推进系统的结构重量及几何体积。然而,CFRP贮箱的渗漏问题严重影响了贮箱的应用。首先介绍了含金属内衬CFRP贮箱,而后综述了无金属内衬CFRP低温贮箱抗渗漏性的研究进展,主要从渗漏机理、抗渗漏设计、渗漏性检测方法等方面进行阐述,报道了国内外有关纳米材料掺杂增强、树脂基体改性增韧、铺层结构优化设计等抗渗漏设计方法,展望了无金属内衬CFRP低温贮箱抗渗漏研究的方向。

低温贮箱用复合材料的研究进展

系统地概括了低温贮箱用复合材料的研究背景、进展动态及研究现状,重点介绍了复合材料低温贮箱成型工艺、复合材料与低温推进剂之间的安全性及复合材料自身的低温力学性能。研究表明:自动铺丝成型工艺推动了无内衬的复合材料低温贮箱的发展;在冷热循环作用下界面等薄弱区域萌生大量微裂纹,机械载荷促进下形成低温推进剂泄漏路径;开发满足液氧相容性要求、工艺要求和力学性能优异的环氧树脂,是发展液氧贮箱用复合材料体系的关键;研究冷热循环作用和改性方法对于复合材料力学性能的影响,对可重复使用航天器复合材料低温贮箱应用的意义重大。

可重复使用运载器复合材料低温贮箱应用研究

轻质高强度低温贮箱是发展可重复使用运载器(RLV)的关键技术之一。本文论证了聚合物复合材料作为低温贮箱材料的必要性和可行性,介绍了复合材料低温贮箱的研制现状,对聚合物基体和纤维选择、设计技术、复合材料的成型及其性能测试等进行了探讨,指出了复合材料低温贮箱的发展趋势,并就我国复合材料低温贮箱的发展给出了建议。

复合材料低温贮箱的开发与应用

讨论了运载器用复合材料低温贮箱工作要求,详细描述了液氢、液氧贮箱、双叶贮箱、半保角贮箱等复合材料贮箱及推进系统其它部件(如燃料供给管、盖板、二次增压贮箱)等的开发与试验。

聚合物基复合材料在液氧贮箱中的应用研究

回顾了航天系统液氧贮箱的历史沿革 ,论证聚合物复合材料作为贮箱材料应用的必要性和可行性。从聚合物基体和纤维选择 ,复合材料的成型 。

航天运载器及低温贮箱的热防护系统

低温贮箱是航天运载器最大的结构部件,作为压力容器用来贮存液氢、液氧推进剂,也作为运载器的主承力结构,起着支撑热防护系统以及为其它系统仪器设备提供安装基础和空间的作用。随着航天运载技术的不断发展,低温贮箱热防护系统已经成为重复使用运载器的关键技术之一。介绍了一次性使用运载器热防护系统的发展历史,以及重复使用运载器低温贮箱热防护系统的最新进展。

低温环境下PEEK/CF复合材料结构和性能研究进展

分析了碳纤维(CF)增强聚合物(CFRP)复合材料特别是CF增强聚醚醚酮(PEEK/CF)复合材料在新一代可重复使用航天运载器(RSLVs)低温燃料贮箱上应用的优势,并根据RSLVs低温燃料贮箱对材料的要求,介绍了低温环境及低温-室温热循环处理对PEEK/CF复合材料内部结构、气体渗透性能和力学性能影响的研究进展。在此基础上,借鉴对CFRP复合材料低温性能优化以及对PEEK/CF复合材料的室温性能优化的相关研究,对PEEK/CF复合材料低温性能的优化途径进行了展望,提出改进CF和PEEK界面的结合强度可能是PEEK/CF复合材料低温性能优化的可行方法。

美国最新研制的无内衬全复合材料低温压力容器

介绍美国最新研制的无内衬全复合材料低温压力容器。概述了压力容器的发展以及复合材料压力容器的主要分类。阐述了美国ICT公司开展的低温全复合材料压力容器的研制情况,以低温球形贮箱(CryoSphere)的研制为重点,从贮箱材料、制造工艺和试验情况三方面介绍,并阐明了该型贮箱的后续研究计划。

超低温用碳纤维增强树脂基复合材料的性能研究

根据低温液氧贮箱的缠绕工艺与特殊使用环境要求,分别针对3种自制的环氧树脂体系进行系统的工艺特性与低温抗裂纹性能研究。在此基础上以T700纤维复合材料为研究对象,详细考察其在超低温和高低温循环条件下的力学性能稳定性,并对其液氧相容性进行测试。最终以小型碳纤维复合材料筒体进行综合性能验证。研究结果表明,SFC-3环氧树脂具有较好的缠绕工艺特性,且在超低温和高低温交变条件下具有优异的抗裂纹特性。T700/SFC-3环氧复合材料分别经过高低温交变和超低温处理后,拉伸性能保留率在92%以上,且该复合材料具有良好的液氧相容性。T700/SFC-3环氧树脂复合材料筒体具有极好的耐高低温稳定性和气密性。

低温推进剂贮箱增压系统分布参数数值仿真(Ⅰ)贮箱的有限体积模型

从准一维可压缩瞬变管流的有限体积模型出发,通过数值拓展和集成建立了一种考虑流体与箱壁传热的低温推进剂贮箱分布参数模型.流场采用一维交错网格的有限体积模型,可考虑变物性、轴向热传导、重力场、壁面传热影响;壁面温度场采用圆柱坐标系下的轴对称二维有限体积模型,可处理对流换热和辐射换热两种边界情况,可处理具有包覆层或真空夹层结构的变物性管壁传热.模型全面考虑了贮箱内的分布参数效应,适用于贮箱增压计算领域.

低温推进剂贮箱增压系统分布参数数值仿真(Ⅱ)增压系统数值模型与仿真结果

在所建立低温推进剂分布参数贮箱模型的基础上,采用液体火箭发动机试验台气路系统模块化建模与仿真软件,对某试验台液氧贮箱增压系统在发动机点火工作段的增压过程进行了仿真研究.仿真结果与试验结果以及经验公式计算结果获得了很好的一致,表明分布参数贮箱模型相对于集中参数模型更为准确全面地描述了低温贮箱内的流动和热分层现象,并表明有限体积模型体系及所开发的仿真软件具有广泛的适用范围和良好的仿真精度,在管路系统仿真领域具有工程应用价值和数值拓展潜力.

可重复使用低温贮箱热防护系统热传导分析

建立了可重复使用低温贮箱热防护系统的瞬态热传输理论模型 ,给出了数值计算方法。分析了地面和飞行再入两个阶段热防护系统中的温度分布。在地面阶段 ,考虑了风速、太阳辐射、地球反射辐射以及空气辐射等对温度分布的作用 ;在再入返回阶段 ,主要考虑了气动加热和贮箱外表面辐射对温度分布的作用。

复合材料贮箱在航天飞行器低温推进系统上的应用与关键技术

复合材料低温贮箱的研制与开发是集合了多学科的复杂科学工程。航天技术的发展对航天飞行器性能提出了更高的要求,使得低温推进系统成为了研究重点。为了进一步提高航天器的性能,必须从结构的减重入手,贮箱作为低温推进系统中最大的部件,成为了未来重点发展方向。用碳纤维增强复合材料(CFRPs)代替铝合金用于制备可重复使用飞行器(RLV)的燃料贮箱成为近些年各个航天大国的重点研究方向。本文介绍了复合材料低温贮箱在航天飞行器领域研究与发展的过程,介绍了复合材料低温贮箱的一些典型型号,总结了发展复合材料低温贮箱所需解决的技术问题。