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專題報(bào)告

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復(fù)合材料在低溫貯箱中的應(yīng)用

1 引言

航天運(yùn)載器作為能夠?qū)⑷嗽煨l(wèi)星、空間站、載人飛船等航天器送入太空的重要飛行載具,其先進(jìn)性標(biāo)志著一個(gè)國家航天科技發(fā)展水平與國防實(shí)力[1]。降低發(fā)射成本和提高運(yùn)載能力是未來航天器的發(fā)展目標(biāo),比如可重復(fù)使用飛行器(RLV)、低成本航天器(ELV)、單級(jí)入軌航天器(SSTO)等,這就需要將航天器的發(fā)射總重量降到最低。美國航空航天局(NASA)發(fā)現(xiàn),只有發(fā)射凈重與總重量之比小于0.092時(shí)才能實(shí)現(xiàn)航天器的可重復(fù)使用[2, 3]。為了實(shí)現(xiàn)高運(yùn)載力、低成本航天器的發(fā)展,首先必須解決的就是飛行器整體重量過大的問題。低溫推進(jìn)劑貯箱是航天運(yùn)載器最大的結(jié)構(gòu)部件,占火箭結(jié)構(gòu)重量的60%左右,是航天運(yùn)載器主要的減重部件(如圖1),其輕質(zhì)化水平?jīng)Q定著運(yùn)載器的主要性能指標(biāo)[4-6]。

復(fù)合材料在低溫貯箱中的應(yīng)用

圖1新型復(fù)合材料低溫推進(jìn)劑貯箱

傳統(tǒng)的航天器均采用金屬材料作為低溫推進(jìn)劑貯箱的結(jié)構(gòu)材料,其發(fā)展歷程經(jīng)歷了鋁鎂合金、鋁銅合金和鋁鋰合金三個(gè)階段,隨著新一代航天飛行器的發(fā)展,各航天大國提出需要對(duì)低溫推進(jìn)劑貯箱進(jìn)行減重的苛刻要求,而傳統(tǒng)的金屬材料無法滿足這一要求[7-9]。隨著復(fù)合材料技術(shù)的高速發(fā)展以及在航空航天領(lǐng)域的逐步應(yīng)用,特別是冷熱循環(huán)力學(xué)性能優(yōu)異的高性能復(fù)合材料體系的出現(xiàn),使得全復(fù)合材料無內(nèi)襯低溫貯箱成為輕量化航天運(yùn)載器的主要發(fā)展趨勢(shì)[10-13]。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)具有高比強(qiáng)度和比模量、低密度和熱導(dǎo)率、耐腐蝕和疲勞性等優(yōu)點(diǎn)(如表1所示),在制造輕質(zhì)低溫貯箱的眾多候選材料中,CFRP已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,正逐步替代金屬材料用來制造航天飛行器的關(guān)鍵部件[14, 15]。用CFRP替代傳統(tǒng)的金屬材料能夠?qū)崿F(xiàn)低溫貯箱結(jié)構(gòu)減重20%~40%,并且減重效果隨著貯箱尺寸的增大而顯著提高[16, 17]。另外,全復(fù)合材料低溫推進(jìn)劑貯箱可以采用先進(jìn)的成型工藝從而可以大幅減少零部件的裝配,能夠?qū)崿F(xiàn)提高生產(chǎn)效率、縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本的目標(biāo)[18]。

表1 復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬材料性能對(duì)比[1]


復(fù)合材料在低溫貯箱中的應(yīng)用

2 復(fù)合材料低溫貯箱的研究現(xiàn)狀

由于復(fù)合材料推進(jìn)劑貯箱相較于金屬材料貯箱具有巨大優(yōu)勢(shì),近年來已經(jīng)成為各航天大國低溫貯箱發(fā)展的重要趨勢(shì)。2016年11月3日長征五號(hào)運(yùn)載火箭的成功發(fā)射成為我國邁向航天強(qiáng)國的標(biāo)志和里程碑。航天科技事業(yè)的發(fā)展是一個(gè)國家綜合國力的體現(xiàn),積極研發(fā)全復(fù)合材料低溫推進(jìn)劑貯箱對(duì)鞏固我國的航天強(qiáng)國地位具有十分重要的意義。

2.1 國外復(fù)合材料低溫貯箱的研究進(jìn)展

20世紀(jì)80年代,國外開始了全復(fù)合材料推進(jìn)劑貯箱的研究,并逐步開展液氫和液氧等低溫復(fù)合材料貯箱的研究。1987年,針對(duì)國家航天飛機(jī)以及SSTO飛行器計(jì)劃,美國麥道航天公司(MDA)開始開展碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料液氫貯箱的相關(guān)研究,從復(fù)合材料的低溫力學(xué)性能和液氫分子滲漏兩大方向進(jìn)行攻關(guān),于20世紀(jì)90年代中期制備出復(fù)合材料液氫貯箱。1996年,MDA公司首次將全復(fù)合材料液氫貯箱應(yīng)用在DC-XA亞軌道飛行器中,該貯箱使用IM7碳纖維增強(qiáng)8552-2韌性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料,采用預(yù)浸料鋪放工藝制備了貯箱殼段和箱底兩個(gè)部分,之后使用腹帶接頭拼接在一起。貯箱直徑為2.4 m,長度為4.8 m,結(jié)構(gòu)為常規(guī)圓柱體結(jié)構(gòu)(圖2(a)),該飛行器進(jìn)行了4次飛行試驗(yàn)后,在著陸時(shí)墜毀[4, 19]。

20世紀(jì)90年代,洛克希德?馬丁公司(LM)將研制的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料液氫貯箱(圖2(b))應(yīng)用于美國X-33飛行器,該貯箱為多瓣蜂窩夾層結(jié)構(gòu),貯箱長8.8 m,底部寬5.5 m、長6.7 m的殼段與前后叉形環(huán)及三個(gè)半球形頂蓋通過熱壓工藝粘接成型,夾層面板為碳纖維/環(huán)氧樹脂(IM7/977-2)復(fù)合材料,蜂芯采用Korex新型高性能酚醛蜂窩芯材。1999年,LM公司使用液氫對(duì)X-33貯箱進(jìn)行壓力循環(huán)測(cè)試,2小時(shí)后發(fā)現(xiàn)外殼與蜂窩夾層分層,其原因是液氫通過復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生的微裂紋發(fā)生滲漏,且蜂窩夾層與外殼之間的粘接力不足從而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗[1, 20]。

2004年,LM公司為液氧貯箱研究領(lǐng)域帶來了突破性進(jìn)展,成功研制出全復(fù)合材料無內(nèi)襯液氧貯箱(圖2(c))。該復(fù)合材料液氧貯箱采用碳纖維纏繞工藝制備成型,貯箱直徑1.2 m,長度2.7 m,總質(zhì)量為225 kg,相較于金屬貯箱減重18%。LM公司研制出了專門用于液氧推進(jìn)劑貯箱的高性能環(huán)氧樹脂,該樹脂具有優(yōu)異的耐低溫開裂性、液氧相容性和抗?jié)B漏性等特點(diǎn)。該貯箱通過了模擬實(shí)際使用狀態(tài)的測(cè)試,且對(duì)該貯箱循環(huán)充放液氧52次未出現(xiàn)開裂、泄漏等問題[2, 21]。

2005年,Wilson公司采用濕法纏繞工藝成型了復(fù)合材料液氧貯箱(圖2(d))。液氧貯箱面臨的關(guān)鍵問題是當(dāng)受到?jīng)_擊、摩擦?xí)r液氧(強(qiáng)助燃劑)容易與材料發(fā)生爆炸、燃燒等敏感性反應(yīng),因此制備液氧貯箱的結(jié)構(gòu)材料必須能夠完全與液氧相容。美國標(biāo)準(zhǔn)中將材料與液氧接觸后在正常使用過程中不發(fā)生爆燃等敏感性反應(yīng)的現(xiàn)象稱為液氧相容性。Wilson公司研究發(fā)現(xiàn)氰酸酯(CE)具備良好的液氧相容性,因此采用韌性環(huán)氧/氰酸酯作為基體樹脂制備了全復(fù)合材料液氧貯箱,該貯箱壁厚為2.0~2.6 mm,直徑1.2 m,長1.8 m,貯箱工作壓力為0.69 MPa[22, 23]。

2012年,波音公司為NASA進(jìn)行了直徑2.4 m和5.5 m的復(fù)合材料低溫貯箱的研制,采用自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)和非熱壓罐技術(shù)成型。直徑5.5米級(jí)復(fù)合材料貯箱(圖2(e)),箱體直徑5.5 m,總長5.8 m,容量約107 m3,采用5320-1環(huán)氧樹脂/IM7碳纖維復(fù)合材料體系制成。該貯箱于2014年通過了壓力及溫度測(cè)試[24, 25]。

2016年,美國Space X公司制造出了航天歷史上最大的復(fù)合材料液氧貯箱(圖2(f)),該貯箱直徑為12 m且通過了低溫加壓測(cè)試[26]。另外,歐洲航天局的FLPP計(jì)劃和FESTIP計(jì)劃、日本的SSTO計(jì)劃和HOPE-X計(jì)劃均涉及到了復(fù)合材料推進(jìn)劑貯箱的研制工作[27]。


復(fù)合材料在低溫貯箱中的應(yīng)用

圖2 國外復(fù)合材料低溫推進(jìn)劑貯箱的研究進(jìn)展[5]

2.2 國內(nèi)復(fù)合材料低溫貯箱的研究進(jìn)展

早在1969年,我國就開展了有關(guān)復(fù)合材料貯箱的研究,采用不銹鋼為內(nèi)襯,玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料為殼體材料,但之后在該領(lǐng)域無實(shí)質(zhì)性的技術(shù)突破。直到2002年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)制造了我國第一個(gè)含內(nèi)襯H2O2復(fù)合材料樣件,并進(jìn)行了低溫壓力測(cè)試。隨后眾多國內(nèi)研究院所和高校都針對(duì)復(fù)合材料低溫貯箱的關(guān)鍵性技術(shù)開展相關(guān)研究工作,力爭早日將復(fù)合材料貯箱的基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用[1, 28]。國防科技大學(xué)研究了聚合物的液氧相容性機(jī)理,通過阻燃改性獲得了與液氧相容的環(huán)氧樹脂基體及樹脂基復(fù)合材料[29-33]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)開展了樹脂基體及其復(fù)合材料的超低溫力學(xué)性能和液氧相容性研究,采用向樹脂中引入雙酚A型氰酸酯、苯并噁嗪和抗氧劑的方法改善樹脂的液氧相容性[34, 35]。重慶大學(xué)采用添加熱塑性樹脂、納米橡膠、石墨烯等方法對(duì)環(huán)氧樹脂的超低溫力學(xué)性能進(jìn)行增韌增強(qiáng)改性,經(jīng)力學(xué)測(cè)試證明改性后復(fù)合材料的低溫力學(xué)性能顯著提高[5, 36-38]。大連理工大學(xué)采用多種分析表征方法探究了液氧沖擊過程中樹脂與液氧的相互作用機(jī)理。通過引入不同種類與含量的樹脂、固化劑、特種元素、阻燃劑和納米材料等方法對(duì)聚合物的液氧相容性進(jìn)行了探究,首先獲得了與液氧相容的環(huán)氧樹脂體系[39, 40]。2018年,“大型復(fù)合材料航天運(yùn)載器貯箱一體化制造基礎(chǔ)”成為國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的變革性關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題[41]。2021年1月,中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院制造出我國首個(gè)直徑3.35 m復(fù)合材料低溫液氧貯箱原理樣機(jī),該貯箱采用自動(dòng)鋪絲工藝成型,相較于金屬貯箱強(qiáng)度更高,減重30%,能夠顯著提高火箭的結(jié)構(gòu)效率和運(yùn)載能力,是一種新型輕質(zhì)貯箱。同期,大連理工大學(xué)通過自動(dòng)鋪絲工藝制備出直徑3.35 m的復(fù)合材料液氧貯箱樣件,該貯箱采用自主研發(fā)的液氧環(huán)境用預(yù)浸料制備而成,目前正在開展相關(guān)的測(cè)試工作[43]。北京理工大學(xué)近年來也開展了耐低溫環(huán)氧樹脂改性的研究,提出了一種雙體系大分子網(wǎng)絡(luò)互穿和鏈間化學(xué)交聯(lián)機(jī)制的樹脂體系設(shè)計(jì)方法,制備了室溫和超低溫綜合力學(xué)性能優(yōu)異的新型增韌環(huán)氧樹脂,并建立了兼顧增韌和阻燃功能的新型含磷/氮反應(yīng)型阻燃劑設(shè)計(jì)與合成方法,揭示了兩種阻燃劑對(duì)于環(huán)氧樹脂的超低溫力學(xué)性能及液氧相容性的作用機(jī)理,最終優(yōu)選出了液氧相容的耐低溫環(huán)氧樹脂體系,制備了碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料,探明了樹脂及復(fù)合材料的熱物性能演化規(guī)律,豐富了耐超低溫及液氧相容環(huán)氧樹脂的體系。制備出性能優(yōu)異的樹脂基體制備成碳纖維復(fù)合材料,其在室溫和超低溫下各項(xiàng)力學(xué)性能均優(yōu)于純環(huán)氧樹脂,制備的碳纖維復(fù)合材料在室溫下的拉伸強(qiáng)度、彈性模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、層間剪切強(qiáng)度和沖擊韌性分別比純環(huán)氧樹脂提高了32.7%、30.1%、63.5%、27.0%、53.0%和41.4%,超低溫下分別比純環(huán)氧樹脂提高了35.2%、20.5%、65.2%、25.4%、49.0%和33.7%[42]。

3 總結(jié)與展望

我國在制造與應(yīng)用大直徑復(fù)合材料低溫貯箱的過程中仍面臨很多關(guān)鍵問題[43, 44]。低溫推進(jìn)劑貯箱需要承受嚴(yán)苛的推進(jìn)劑超低溫環(huán)境,比如液氫環(huán)境(-253℃)和液氧環(huán)境(-183℃),同時(shí)針對(duì)液氧環(huán)境又要防止復(fù)合材料與液氧不相容而引起爆炸,另外需要嚴(yán)格預(yù)防推進(jìn)劑發(fā)生滲漏現(xiàn)象以保證貯箱結(jié)構(gòu)正常運(yùn)行[14,49]。在此背景下,需要行業(yè)部門和高校緊密合作,從工程技術(shù)層面及科學(xué)理論方面,從樹脂體系、成型工藝、測(cè)試評(píng)價(jià)方法等方面持續(xù)深入開展研究,為我國復(fù)合材料在低溫貯箱及其他低溫領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展提供技術(shù)基礎(chǔ),助推進(jìn)航天大國發(fā)展。

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