对于可重复使用的运载器, 返回时贮箱及供给管要耐170 ℃的高温。贮箱压力可用于改善运载器结构稳定性, 将推进剂以可控流量压入供给管系统, 维持燃料低温液体状态。大型运载器推进剂贮箱典型压力为207 kPa ～276 kPa, 小型运载器贮箱压力为520 kPa或更高。复合材料用于低温贮箱很困 玻璃砖墙android退出app难。层压板不仅要结构有效, 而且能盛装极易蒸发的低温推进剂如LH2 和L O2 。贮箱工作时要考虑两个主要因素: 1 ) 低温盛装性; 2 )与LO2 的化学相容性。1. 1 低温盛装性有两个因素要
考虑: 一是渗
透性, 即流体分子通过复合材料层压板扩散, 二是泄漏性, 即液体或气体分子通过复合材料的泄漏通道流出。流体通过无微裂纹或内部缺陷的层压板时扩散速率很低, 因此不必担心渗透性, 但要重视泄漏性。
为满足推进系统贮箱盛装性要求, 复合材料要无缺陷, 因为缺陷会产生通过层压板的泄漏通道。潜在的泄漏通道包括内部相连的孔隙, 受机械破坏导致的穿透裂纹、分层, 纤维与树脂基体之间微裂纹的积累。研究表明, 即使非常小的局部孔隙也能引起显著的泄漏, 因此盛装用的复合
材料层压板要无孔隙。冲击破坏会产生沿厚度方向的局部裂纹, 也是引起泄漏的一个重要因素。在强化的碳纤维增强环氧树脂复合材料中, 即使受到6. 8N ·m 的冲击破坏, 也能产生泄漏通道。
微裂纹也是引起低温贮箱泄漏的一个重要因素。在碳纤维增强复合材料中, 由于纤维与树脂的热膨胀系数( CTE )差异大, 当复合材料冷却到低温时, 显著的内部拉伸应力要在树脂基体中积累。低温时传统树脂系统变得很脆, 失效应变显著降低。降低的应变能力与来自CTE 差异的热应变一起, 能引起层压板微裂纹。用于低温推进系统的层压板不仅要耐很高的热应力与应变, 还要耐作用于贮箱压力及外载荷引起的机械应力与应变, 不能因微裂纹使其性能下降。材料要在多次工作循环中耐机械应变与热应变的共同作用。
1. 2 LO
2
的化学相容性
MO 与NA S A一起开发了解决L O2 相容性问题的方法。MO 成功开发并验证了X234 LO2 贮箱及L O2 供给管的材料。LO2 相容性试验包括在L O2 中机械冲击、气态氧中机械冲击、高速颗 ·59·
摘要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。
关键词运载器低温燃料
试验
贮箱复合材料
开发聚合物复合材料低温贮箱是进行下一代空间探索用运载器研究的关键一步。用复合材料低温贮箱能使性能提高, 成本降低, 可以比目前铝合金贮箱质量减轻20 %～40 % , 能满足未来运载器净起飞质量( G LOW )最小的要求。
洛马公司M i choud Op e ra2 ti o n s分部(MO )在大型低温贮箱开发方面处于世界领先地位, 在航天飞机外贮箱制造上有25 年的经验, 另外也开发用于X233、X234、冒险星及其它未来运载器用复合材料低温贮箱。本文对这些先进复合材料低温贮箱的开发与试验进行介绍。
1 运载器低温贮箱要求
在液体燃料运载器的有效设计中, 液氢(LH2 )燃料贮箱及供给管( feed li ne ) 系统工作于- 230 ℃, 液氧( L O2 ) 燃料贮箱及供给管系统工作于- 183 ℃。飞航导弹2006年第3
粒冲击 、摩擦及烟火冲击等 。
从 LO 2 环 境 结 构 和 组 件 的 系统考虑出发 , 进行了大尺寸试 验 。用全尺寸子组件及完整的贮 箱及系统部件进行了大尺寸 LO 2 相容性试验 。子组件级试验包括 将全尺寸部件段和接头经历飞行 载荷循 环 后 浸 入 L O 2 中 加 载 到 失效 。子组件试验证明 , 即使在 灾难性结构破坏中也未发生 LO 2 反应 。对分别装有 30 % , 50 % , 90 % LO 2 及各种螺栓 、金属碎屑 等 碎 片 的 小 贮 箱 进 行 了 振 动 试 验 , 表明未发生 LO 2 反应 。
对一特殊设计的装有液氮的 双轴管试验表明能满足渗透性要 求 。这个 43mm 内径的双轴管试 验件具
有与 X 234 贮箱相同的铺 层 , 在压力下施加有满飞行级应 变 。试验后将双轴管试验件截成 试样进行检查 。这种模段试验方 法能够较经济地评估材料系统在 使用过程中遇到相同应变状态下 的低温循环行为 。在两端夹头施 加压力及载荷就可获得双轴管试 验中轴向和纵向之间的任意想要 的应变比 。
漏 。该试 验 不 仅 包 括 增 压 充 填 LH 2 增压 , 还包括推进剂致密化 试验 , 即将过冷 LH 2 通过贮箱循 环以进一步冷却及致密化贮箱中 的 LH 2 , 便 于 盛 装 更 多 质 量 的 LH 2 。试验后对从贮箱壁面层压 板上切下的试样进行观察 , 有限 数量的层中有少量微裂纹 , 与试 验前分析预测的相一致 。 其它试验包括成功验证了双 叶之间的轻型螺栓接头 。该接头 能使贮箱为两半结构 , 该接头比 粘接接头有更高的强度 、更好的 密封性 、更轻 。试验过程中监测 接头 , 无 LH 2 泄漏 。
贮箱最易产生泄漏的地方为 粘接接头引起的不连续地方 , 如 封头与桶身连接处 , 叶型弯曲到 中央隔板处 。在一些由于制造缺 陷如褶皱处确实出现了泄漏 。对 贮箱层压板及泄漏位置的仔细分 析 , 表明传统复合材料层压板在 有 能 顺 利 通 过 常 规 检 测 的 缺 陷 时 , 不能 满 足低 温 容 器 的 要 求 。 因此开发了确保满足泄漏要求的 贮箱检验方法和维修技术 。 2. 3 半保角 ( se m i 2conf o r m a l) 贮 箱
为了将贮箱安装于复杂形状 的空间探测和 单级 定轨 ( SSTO ) 运载器上 , MO 研究了一种半保 角贮箱 (见 图 3 ) 。这 种 革 新 设 计 , 能允许压力容器有平面或任 意曲面 , 在等量容积基础上与多 叶贮箱一样轻 , 能采用三明治复 合材料结构 。
2. 4 X 234 LO 2 贮箱
MO 开发 、制造 、评估了 X 2 34 技 术 验 证 器 用 复 合 材 料 L O 2 贮箱 , 这是第一个全尺寸飞行认 证 的 全 复 合 材 料 L O 2 贮 箱 , 接
图 1 试验后的 LH 2 贮箱
的相一致 。该试验成功证明复合 材料 层 压 板 能 用 于 盛 装 L H 2 经 受反复低温循环的高应变环境 。
2. 2 双叶 ( dua l l o be ) 低 温 复合
材料 LH 2 贮箱
作为 X 233 /冒险星单级运载 器计 划 的 一 部 分 , 开 发 了 直 径
3m , 长 5. 1m 的双叶贮箱 (见图 2 ) 。该 贮 箱 桶 身 采 用 预 浸 带 纤
幼儿园门禁维铺设 , 高压釜固化 。两端封头 手工铺设与桶表层共固化 。沿桶 身的加强筋手工铺设 , 高压釜单 独固化 , 然 后粘 接 到 贮 箱 表 层 。 这是第一个成功完成理想压力试
验的多叶 LH 2 贮箱 。
在 NA S A 斯坦尼斯空间中心 进行了总 共 78 次 低 温 循 环 , 接 着在 NA S A 格伦研究中心进行了 试验 , 在贮箱隔板区域未发现泄
2 M O 的低温贮箱开发
MO 成功进行了几个开发计
划 , 验证了使用复合材料作低温 贮箱的潜能 。 2. 1 LH 2 贮箱
该贮 箱 (见 图 1 ) 长 1. 8m , 直径 0. 9m , 由预浸带纤维铺设 , 高压 釜 固 化 。贮 箱 装 LH 2 后 完 成了 13 周 的 低 温 压 力 循 环 , 应 变水平相当于飞行中需要的 。试 验后对从贮箱壁面层压板上切下 的试样进行观察 , 有一些层中有 少量微裂纹 , 与试验前分析预测 ·60·
图 2 直径 3m , 长 5. 1m 的双叶低温 复合材料 LH 2 贮箱 (无绝热层 )
飞航导弹 2006年第 3
求 , 如大的点载荷 , 装配和拆装 要求及与其它部件的精确界面对 准等 。下表为 MO 在过 去 25 年
里所开发的运载器用主要复合材 料部件 。
3. 1 复合材料供给管 复合材料
供给管不仅要满足
低温贮箱的所有技术要求 , 也要有
轻质的结构界面 。MO 开发并测试 了一个直径 43cm , 长 1. 2m 的复合 材料供给管 , 并带有一体化的复合 材料法兰 , 比全铝合金供给管轻 25%。这是为满足航天飞机外贮 箱 43cm LO 2 供给管需求 。该供给 管是目前飞行用最大的管 , 供给管
成功通过了 1. 6倍极限载荷试验 , 未出现泄漏和失效 。 3. 2 复合材料盖板 ( cove r p l a t e )
低温时维持盖板上螺栓的夹
紧力或预载荷有一定困难 。复合 材 料 层 压 板 沿 厚 度 方 向 有 高 的
CTE, 在低温时同一温度范围层
压板厚度的改变要比螺栓长度改 变大 , 层 压 板 失 去 夹 紧 力 。MO 开发一些专利技术来有效解决这 种问题 。
另一个困难是对盖板周边进 行有效密封 。MO 开发验证了几 种 结 构 能 在 低 温 环 境 下 耐 高 载 荷 , 同 时 密 封 。在 X 233 LH 2 低 温 贮 箱 中 验 证 了 盖 板 的 关 键 技 术 。
为飞行验证 , 将一个盖板在 外载荷作用下经历了 47周低温 / 压力循环 , 夹紧力未损失 , 盖板 周边无泄漏 。试验后又将该盖板 低温 加 载 到 50 % 过 压 力 ( ove r 2 p re ssu re )及 50 %额外的载荷 , 仍 未见泄漏 。制造了具有不同通道 结 构 的 4块 盖 板 , 都 成 功 通 过 了
图 3 半保角贮箱
头 、密 封 件 、堵 盖 、阀 、管 腔 及 供给管 、内封头等部件都是全尺 寸的 。
探路 者 ( Pa t hfi nde r ) 贮 箱 试 验件除了只有一个内封头外 , 其
余与飞行件相同 。对探路者进行
了如下试验 : 1 ) 5 周低温循环验 证 , 加压到 765 kPa, 其中在 L N 2
中循 环 1 周 , 在 LO 2 中 循 环 4
周 ; 2 ) 47 周 低 温 寿 命 循 环 验 证
(每 周 增 压 5 次 ) , 加 压 到
510 kPa, 其 中 在 L N 2 中 循 环 1
周 , 在 LO 2 中循环 46 周 ; 3 ) 52
周低温循环验证 , 其中在 LN 2 中 循环 2周 , 在 LO 2 中循环 50 周 。 另外在低温环境完成了 240 次增 压循环 。
对贮箱桶身 、前封头 、接头 、 盖板 、螺栓进行试验 , 无泄漏迹 象 。用氦 气 包 检 验 前 封 头 及 桶 身 , 无泄漏 。气氮中衰减率表明 后封头气体泄漏区域没有降级 , 为 0. 14kPa /m i n ～ 0. 2kPa /m i n 。 试验 证 明 可 重 复 使 用 复 合 材 料 M O 开发的运载器用主要复合材料部件 LO 贮箱是实际可行的 。 2 3 推进系统其它部件
推进 系 统 其 它 部 件 如 供 给 管 、盖板 、二次增压贮箱等采用 复合材料 , 也能显著减轻系统质 量 。这对复合材料提出了新的要 飞航导弹 2006年第 3
·61·
计划 制造的部件 试验 目前状态
航天飞机 外贮箱 鼻锥 全飞行验证 飞行验证 /采用 增压管整流罩 全飞行验证 飞行验证 /采用 贮箱门 全飞行验证 飞行验证 /采用 H y TO P
火箭
直径 1. 8m 贮箱 试验到失效
冒险星
R LV 直 径 0. 9m LH 2 贮 箱
在 LH 2 中循环 13周 仅为地面试验
长 5. 1m 的 双 叶 LH 2 贮箱
在 LH 2 中循环 78周
仅为地面试验
X 233
LH 2 贮箱直径 89cm
辊道窑
盖板 ( 4个 )
全飞行验证
飞行验证 /交付
独立开发
直径 43cm 供给管
试验 到 满 足 飞 行 要 求
成功试验开发
多聚磷酸盐X 234
LO 2 贮箱直径 56cm 盖板
在 LN 2 中循环 2 周 ,
在 LO 2 中循环 50周 用 Pa t hfinde r 进 行 试
验
直 径 137 c mLO 2 贮 箱 (飞行 )
部分完成 由于 X 234 计 划 取 消
而未完成
直 径 137 c mLO 2 贮 箱 (验证 ) 在 LN 2 中循环 2 周 , 在 LO 2 中循环 50周
第一阶段试验完成
燃料与通风管
在 LN 2 中循环 2 周 , 在 LO 2
中循环 50周 用 Pa t hfinde r 进 行 试
验
验收试验 , 经历了 LH 2 环境加载
到 25 %过压的三周试验 。设计 、 制造 、评估 了 X 234 技 术 验 证 器 用复 合 材 料 L O 2 贮 箱 盖 板 , 在 LO 2 中低温 循 环 50 周 耐 泄 漏 和
极限压力 。
3. 3 低温高压贮箱 在 LO 2 /LH 2 运 载 器 上 使 用 加热的氦气对 L O 2 贮箱增压 , 可
以显著 减 轻 系 统 质 量 。对 于 X 2 33和冒险星可重复使用运载器 ,
高压氦气贮箱 (见图 5 )放于 LH 2 贮箱内 。在给定贮箱体积内低温 冷 却 能 使 氦 气 要 比 室 温 时 多 装
14倍 。贮 箱 中 的 氦 气 通 过 一 热 交换器受热膨胀 , 对 LO 2 贮箱增 压 。采用 复合 材 料过 缠 绕 (
ove r 2
w rapp e d )贮箱可以使系统获得最
大质量有效性 。 MO 利用专利技术 , 开发带 钛衬层的复合材料过缠绕贮箱 , 并在 LH 2 高 压 环 境 下 进 行 了 评
估 。试验中贮箱完成了 50 个低
温 、增压循环 , 在 LH 2 温度下完
成了额外的 7 次增压循环 , 然后 贮箱被加压到 2倍工作压力以验
证裕度 。之后用激光全息照像法 进行无损检测 。在金属衬层中未 见裂 纹 , 衬层 /过缠 绕界 面 或 层 压板未见分层 。
图 4 高压低温氦气贮箱
液体燃料输运系统 , 制造了各种 贮箱 、部件 、试验件 , 从航天飞 机外 贮 箱 到 X 233、X 234 试 验 飞
行器 部 件 。对 全 尺 寸 贮 箱 、部 件 、供给管及子部件试验件的试 验验证了 MO 设计制造的复合材 料部件能满足低温工作的荷刻要 求同时减轻系统质量 。 刘
萝威
懒人床4 小 结
MO 致力于开发运载器用与 LO 2 相 容 的 低 温 复 合 材 料 结 构 、
俄罗斯的 El eron 微型无人机
在一个小背包中 , 发射时借助一 个手持式发射 , 回收采用 降落伞回收方式 。 E l e r on 无人机 组装和飞行准备时间为 5m i n, 更 改任务也仅需 10m i n 。它可携载 一台不易滚翻的彩摄像仪 , 通 过数据链可把拍摄的实时图像传 送给基地 。该型无人机借助 GPS
导航 , 预编程航迹点可达 99个 。
时兆峰
图中所示的飞行器名为 E l 2
e r on, 它 是 俄 罗 斯 En i c s 公 司 研
制的一种微型无人机 , 质量只有
2. 8 kg , 由 一 台 3 0 0W 的 无 刷 电
机驱 动 , 飞 行 速 度 可 达 65 km / h
～ 105 k m / h , 最 大 飞 行 高 度 为
3 000m 。该型无人机的机翼为三
角 形 翼 , 折 叠 后 , 无 人 机 可 以 放
·62·
飞航导弹 2006年第 3
期
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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