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【據復合材料世界網(wǎng)站2021年12月22日報道】英國國家復合材料中心（NCC）與法國航空航天制造商泰雷茲阿萊尼亞太空公司（Thales Alenia Space）聯(lián)合在“太空儲存罐”（SpaceTank）項目下制造了一種全復合材料無(wú)襯墊（俗稱(chēng)“V型”）儲存罐演示驗證件。該部件將作為運載火箭和衛星推進(jìn)劑儲存罐的基本型產(chǎn)品，與目前使用的傳統金屬推進(jìn)劑儲存罐相比，重量預計可減輕30%。NCC表示，該演示驗證件展示了如何利用先進(jìn)復合材料技術(shù)來(lái)減輕燃料儲存罐結構重量并降低衛星發(fā)射成本，體現了復合材料將在未來(lái)空間推進(jìn)工程結構發(fā)揮的重要作用。
“太空儲存罐”項目為期一年，總體目標是基于英國本土的研發(fā)能力，獲得制造和檢測低溫壓力容器所需的技術(shù)，將開(kāi)發(fā)一種全新制造解決方案，獲得低溫推進(jìn)劑儲存罐。
航天行業(yè)對于復合材料在太空中發(fā)揮的關(guān)鍵作用形成了共識，一些公司已經(jīng)開(kāi)始探索復合材料在太空儲存罐設計中的應用。例如，美國Virgin軌道公司和新西蘭火箭實(shí)驗室公司（RocketLab）都分別研發(fā)并展示了復合材料燃料儲存罐作為發(fā)射器一號（Launcher One）火箭和“電子”（Electron）火箭中金屬燃料儲存罐的替代品。在澳大利亞，Omni Tanker公司與合作伙伴正在尋求開(kāi)發(fā)復合材料無(wú)襯墊液氫儲存罐并計劃將其商業(yè)化。而在歐洲，德國MT航宇公司也已經(jīng)研發(fā)材料和制造方法，并正在接受新型火箭燃料儲存罐的性能測試。NCC的“太空儲存罐”項目則有望將英國提升為該領(lǐng)域的主要參與者。
NCC開(kāi)發(fā)的“太空儲存罐”演示驗證產(chǎn)品長(cháng)750毫米，直徑為450毫米，流體存儲容量超過(guò)96升，壁厚為4.0-5.5毫米，這種設計使其能夠承受85巴加壓推進(jìn)劑帶來(lái)的壓力。NCC透露，“太空儲存罐”碳纖維復合材料主體結構由總重量達到8千克，存在進(jìn)一步優(yōu)化減重的可能，其壓力等級可以通過(guò)使用更高強度的碳纖維和增加復合材料的厚度來(lái)實(shí)現。同時(shí)可以使用更薄，剛度更低的碳纖維復合材料制造，以應對一些中低端應用場(chǎng)景。
在“太空儲存罐”項目期間，NCC團隊開(kāi)發(fā)了一種創(chuàng )新方法，將金屬流體閥端口的制造也納入到可沖洗消除的內芯模具中，從而不需任何二次組裝或粘接等其他步驟。這些流體閥端口固定在新型模具中，使它們能夠在制造過(guò)程的后期直接連結到碳纖維上。
“太空儲存罐”的主體結構使用美國SHD復合材料公司提供的MTC510環(huán)氧樹(shù)脂碳纖維預浸料，帶材寬度為300毫米。MTC510是一種環(huán)氧樹(shù)脂系列產(chǎn)品，在80℃到120℃之間固化，并且經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的增韌設計以提高其損傷容限。
“太空儲存罐”由英國B(niǎo)indatex公司負責制造過(guò)程，該公司還對纖維帶進(jìn)行了窄幅精密切割，并以6.35毫米的規格形成了長(cháng)達22000米返回料，按照NCC的要求，這些返回料要在法國科里奧利公司提供自動(dòng)纖維鋪放（AFP）制造系統中應用。
使用科里奧利AFP系統的長(cháng)纖維纏繞工藝將裁剪后的窄纖維帶沉積到可沖洗消除的模具上。NCC工程師使用比利時(shí)Material’s Cadwind公司的纖維纏繞軟件設計了螺旋纏繞和環(huán)箍纏繞工藝組合，用于沉積超過(guò)24層的材料，達到標稱(chēng)5.5毫米的厚度。在這里使用的纖維纏繞厚度、方向以及角度僅針對演示驗證件。NCC后續可以增加或減少復合材料壁厚并改變纖維纏繞角度和層板結構，以按照不同的壓力或負載要求充分優(yōu)化“太空儲存罐”結構。
在材料完成沉積后，研究人員立即檢查了NCC“太空儲存罐”是否存在缺陷和厚度變化。隨后將整體結構置于100℃下進(jìn)行熱壓罐固化，并再次重新檢查。固化后采用超聲波C掃描和熱成像無(wú)損檢測技術(shù)，對不同的制造方法進(jìn)行對比，以檢查未來(lái)儲罐是否存在分層和孔隙等缺陷。最后，在完成無(wú)損檢測質(zhì)量評估后，用加壓冷水沖洗并消除內部模具，使內槽形成空腔。
NCC表示，經(jīng)過(guò)驗證，無(wú)內襯“太空儲存罐”的模具技術(shù)難度巨大，因此他們與英國AeroConsultants公司合作開(kāi)發(fā)了一款使用該公司Aqua水溶性芯材的鑄造工藝制成的內部模具。模具具有內部陽(yáng)模，標稱(chēng)壁厚為30毫米，它被分為兩部分澆鑄而成，然后進(jìn)行粘合。該模具內部擁有三個(gè)可清洗加強環(huán)，這些加強環(huán)的設計和制造有助于承受復合材料自動(dòng)鋪層過(guò)程中產(chǎn)生的扭轉載荷和纖維固化過(guò)程中產(chǎn)生的壓力。
NCC的這一演示驗證件為英國未來(lái)的太空推進(jìn)劑儲存罐研發(fā)提供了充分的研究基礎，并有助于支持英國先進(jìn)復合材料儲存罐制造技術(shù)、部件和設備供應鏈。
另?yè)嚓P(guān)報告，該領(lǐng)域未來(lái)的研究活動(dòng)還將支持英國在全球太空市場(chǎng)份額增加5%。一份來(lái)自英國政府發(fā)布于2021年5月的工作報告顯示，英國太空行業(yè)相關(guān)收入從2016-2017年的148億英鎊增長(cháng)到2018-2019年的164億英鎊。英國航天局的總結報告強調，過(guò)去兩年（2019-2021年），英國航天部門(mén)創(chuàng )造了3000多個(gè)工作崗位。
來(lái)源：航空工業(yè)信息網(wǎng)