熱塑性復(fù)合材料LH2罐
商業(yè)太空時(shí)代已經(jīng)到來并正在迅速發(fā)展,不僅追求更多的衛(wèi)星和空間站,還追求小行星采礦、太空制造和外星定居點(diǎn)。2022年上半年,太空飛行器發(fā)射總數(shù)為72次,有望打破2021年 135次的記錄。預(yù)計(jì)到2040年,這一數(shù)字將超過1,000。這一增長得益于SpaceX(美國)將發(fā)射成本從1970年到2000年的平均18500美元/公斤大幅削減到獵鷹9號的平均2500美元/公斤。預(yù)計(jì)獵鷹9重型的發(fā)射成本為1500美元/公斤。
除了削減成本,運(yùn)載火箭的另一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是增加有效載荷。與傳統(tǒng)金屬油箱相比,碳纖維增強(qiáng)聚合物 (CFRP) 油箱可以減輕 20-40% 的重量。多家公司正在開發(fā)此類儲罐,包括波音公司(美國),該公司的全復(fù)合材料低溫推進(jìn)儲罐已證明其技術(shù)準(zhǔn)備水平 (TRL) 已達(dá)到6,通過了壓力循環(huán)測試和最大壓力測試——達(dá)到設(shè)計(jì)要求的3.75倍且沒有任何故障跡象。
這種熱固性復(fù)合材料罐直徑為4.3米,與美國宇航局太空發(fā)射系統(tǒng)(SLS)火箭上層的推進(jìn)劑罐大小大致相同,該火箭旨在于2025年前將宇航員送上月球。德國航空航天中心(DLR)輕量化生產(chǎn)技術(shù)(德國)空間相關(guān)應(yīng)用項(xiàng)目經(jīng)理表示,瞄準(zhǔn)此類火箭的上層是關(guān)鍵,因?yàn)槟阍谏蠈尤剂舷渲泄?jié)省的每一公斤都是可以讓你送入太空的有效載荷的一公斤。而較低的一級,即火箭助推器,在發(fā)射后落回地球,但上層完成了任務(wù)。
在2019-2020年的PROCOMP項(xiàng)目中,德國航天中心(DLR)開始進(jìn)一步推廣使用碳纖維制造的 "黑色 "儲罐。DLR中心經(jīng)理繼續(xù)表示,我們的想法是使用熱塑性復(fù)合材料。由于它們在低溫環(huán)境下的延展性以及其他優(yōu)勢,如在自動化制造過程中的原位固結(jié)和無緊固焊接組裝。該方法實(shí)現(xiàn)了一種全新的兩件式設(shè)計(jì),可以使你進(jìn)入油罐內(nèi)部以保證質(zhì)量,并更容易安裝填充傳感器和推進(jìn)管理系統(tǒng)等設(shè)備。后者包括圓周隔板,以防止低溫液體燃料的晃動,以及引導(dǎo)燃料到噴管的縱向葉片,以輸送到下面的火箭發(fā)動機(jī)。DLR通過制造一個(gè)小型演示機(jī)來驗(yàn)證這一設(shè)計(jì),該演示機(jī)使用低熔點(diǎn)聚芳基醚酮(LMPAEK)預(yù)浸帶的原位固結(jié)自動纖維放置(AFP),并使用磁帶輪廓傳感器和內(nèi)聯(lián)熱像儀進(jìn)行100%檢測。
儲罐設(shè)計(jì)
自2018年以來,DLR一直致力于航天器的低溫液氫(LH2)存儲。DLR中心經(jīng)理介紹道,在PROCOMP中,我們問歐洲阿麗亞娜6號發(fā)射裝置的上層需要什么來使用復(fù)合液氫罐。雖然SpaceX已經(jīng)決定繼續(xù)使用金屬罐,但歐洲阿麗亞娜6號計(jì)劃將在2025-26年之前測試一種新的上層結(jié)構(gòu),其液氧和液氫罐均由CFRP制成。
PROCOMP團(tuán)隊(duì)從LH2所需的體積開始--大約5噸--然后我們根據(jù)我們已有的工具將其縮小。縮小成一個(gè)2米長、1.3米直徑的圓柱形液體罐,兩端呈圓弧狀。接下來,我們必須決定在哪里分割罐體,以開發(fā)我們想要的兩部分設(shè)計(jì)。我們有幾個(gè)不同的概念,但最終選擇了兩個(gè)圓頂中的一個(gè),然后將其焊接到一個(gè)集成部件上,該部件由另一個(gè)圓頂與主罐體以及兩端的裙邊共同構(gòu)成。這些裙邊將罐體定位在多件式運(yùn)載火箭內(nèi),并幫助抵御發(fā)射、一級分離和后續(xù)飛行中的各種載荷。
正如SAMPE 歐洲2020論文 "熱塑性復(fù)合材料上級推進(jìn)劑罐的精益生產(chǎn)工藝 "中所述,考慮到20開爾文(-253°C)的服務(wù)溫度和5巴的壓力,通過對不同的靜態(tài)和屈曲載荷情況進(jìn)行建模,對該罐的層壓設(shè)計(jì)進(jìn)行了評估。穹頂和主罐體將使用11層單向(UD)碳纖維增強(qiáng)(CF)LMPAEK膠帶,在0°(罐體縱軸)、±30°、±60°、±45°和90°處應(yīng)用,而罐體裙邊將增加到16層,并增加0°和90°層數(shù)以抵抗屈曲。每層的加固厚度為0.14毫米,穹頂和罐體的厚度為1.54毫米,由于在額外的0°/90°層中與穹頂有210毫米的重疊,裙部的厚度為2.38毫米。
DLR中心經(jīng)理表示,在收到有限元分析/應(yīng)力小組提供的油箱層壓設(shè)計(jì)后,我們必須檢查是否有可能使用我們的AFP設(shè)備制造油箱。所使用的設(shè)備是先進(jìn)纖維鋪放技術(shù)(AFPT,德國)的多層鋪帶頭(MTLH),這是弗勞恩霍夫IPT(德國)公司的一個(gè)衍生產(chǎn)品,該公司自2007年以來一直專注于激光輔助繞帶(LATW)。DLR的MTLH可以應(yīng)用多達(dá)三個(gè)0.5英寸寬的膠帶,并安裝在一個(gè)六軸工業(yè)機(jī)器人上,能夠生產(chǎn)長4米、直徑3米的旋轉(zhuǎn)部件。
由于AFP頭的接觸范圍有限,我們確實(shí)不得不對鋪設(shè)進(jìn)行一些調(diào)整。但這些都是小的修改。我們還測試了使用CF/LMPAEK膠帶作為第一層,但決定改用非增強(qiáng)的LMPAEK薄膜作為粘附層。我們希望有一個(gè)可以在未來自動連接的第一層,但也需要在穹頂區(qū)域有粘性,以便在放置過程中控制膠帶。
在那之后,第一個(gè)圓頂被放置并原位加固。然后將其從模具中移除(圖1)。接下來,我們制造第二個(gè)圓頂和儲罐的主要部分。在圖1中第二步所示的那兩條劃線處,我們稍微擴(kuò)大了直徑,以便有空間容納第一個(gè)圓頂。我們通過在AFP鋪設(shè)該裙邊之前在工具上添加一條鋁帶來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
這也幫助我們創(chuàng)造了一個(gè)鋒利的壁架來推動第一個(gè)穹頂,這樣我們就能知道它的焊接位置是否是正確的。然后我們在第二個(gè)穹頂上安裝了一個(gè)額外的工具,并使用AFP來建立第二個(gè)裙邊。我們把膠帶直接覆蓋在先前鞏固的儲罐和第二個(gè)穹頂?shù)囊徊糠稚稀?/span>
DLR中心經(jīng)理指出,這是熱塑性復(fù)合材料原位加固的一個(gè)優(yōu)勢。你總是可以用額外的材料添加到部件中。因此,整體部分包括兩個(gè)完整的裙邊、第二個(gè)穹頂和儲罐的主體。
有些人批評原位固結(jié)AFP是一個(gè)緩慢的過程,需要非常高質(zhì)量的膠帶來實(shí)現(xiàn)良好的層壓。這些觀點(diǎn)是合理的。在我們看來,只有當(dāng)你真正利用了原位古街的好處后時(shí),它才有意義。而且你必須使你的設(shè)計(jì)適應(yīng)原位加固的過程,這需要真正了解細(xì)節(jié)。如果你只是試圖修改高壓釜固結(jié)的熱塑性塑料部件或普通AFP熱固性預(yù)浸料部件的設(shè)計(jì),這是無效的。
在整體罐體部分從模具中取出后,使用DLR開發(fā)的連續(xù)超聲波焊接技術(shù),將第一個(gè)圓頂和完成的整體部分在焊接夾具中連接起來。項(xiàng)目的這一部分是由團(tuán)隊(duì)的焊接專家曼紐爾·恩格爾沙爾領(lǐng)導(dǎo)。首先,我們?yōu)榈谝粋€(gè)圓頂配備了推進(jìn)劑管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu),DLR中心經(jīng)理說道。這些包括穹頂?shù)撞康膱A周輪廓和一系列彎曲的縱向葉片。我們用鋁制作這些,只是為了證明裝配概念。對于一個(gè)真正的儲罐,這些可以是復(fù)合材料,將非常類似于飛機(jī)機(jī)身的弦桿和框架,所以如何生產(chǎn)這些是眾所周知的。
實(shí)際的系統(tǒng)部件并不是重點(diǎn),但使用圓周輪廓作為焊接的砧板是重點(diǎn)。我們需要它來達(dá)到鞏固熱塑性復(fù)合材料焊縫的壓力,我們還使用了一個(gè)額外的金屬結(jié)構(gòu),易于插入和移除,只是為了確保我們有所需的剛度,因?yàn)楣ぞ卟辉偬峁┓€(wěn)定性。然后我們焊接了一條圓周縫,以連接圓頂和整體部分。
PROCOMP使用的焊接系統(tǒng)包括一個(gè)高精度的KUKA(德國)機(jī)械臂,配有一個(gè)聲納桿,具有直徑25毫米的球形軸承表面。聲納桿將振動垂直地導(dǎo)向復(fù)合材料層壓板。我們在儲罐的外表面直接使用了超聲波喇叭。由于摩擦,熱量只在焊接接觸區(qū)域產(chǎn)生。我們在焊接的兩個(gè)表面之間插入了60微米厚的未強(qiáng)化LMPAEK層作為能量引導(dǎo)。
在連續(xù)超聲焊接中,通常使用能量導(dǎo)引器將能量集中在焊縫區(qū)域。與加固焊縫表面相比,整齊的樹脂增加了超聲波振動的阻尼,導(dǎo)致摩擦融化這些表面的基體。焊接速度為20-25毫米/秒,焊接力為400-600牛頓。
DLR中心經(jīng)理最后說到,在這個(gè)項(xiàng)目中,德國為飛機(jī)上儲存H2提供了大量資金。現(xiàn)在,我們已經(jīng)看到,這種興趣出現(xiàn)了爆炸式增長。波音公司正尋求將其熱固性復(fù)合材料冷凍罐應(yīng)用于零排放飛機(jī)的LH2存儲,而空客公司已宣布其第一架這種飛機(jī)將于2035年投入使用,多個(gè)開發(fā)中心的目標(biāo)分別是在2023年和2026年對LH2罐進(jìn)行地面和飛行測試。
我認(rèn)為我們展示的關(guān)鍵優(yōu)勢甚至可以用于飛機(jī)上的LH2儲罐。它們很可能不會被整合到飛機(jī)機(jī)翼中,至少在最初的經(jīng)典設(shè)計(jì)版本中不會,因此它們將成為必須盡可能輕的額外結(jié)構(gòu)。在這樣的儲罐中使用碳纖維增強(qiáng)塑料可能有點(diǎn)不直觀,但我相信從長遠(yuǎn)來看,這是我們唯一的解決方案,而熱塑性復(fù)合材料確實(shí)可能發(fā)揮關(guān)鍵作用。