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国内外空问复合材料压力容器研究进展及 发展趋势分析( 二) 于斌 。 刘志栋 。 靳庆臣， 程彬。 陈威 ， 石晓强 ， 李兴利 ( 兰州空间技术物理研究所 航天压力容器研制中心 ， 甘肃 兰州7 3 0 0 0 0 ) 摘要： 综述 了国外空间系统复合材料压力容器技术 的研 究进展， 总结 了国 内复合材料压力容器研 究的成果 ， 并结合国外发展情况对我国空间 C O P V的发展趋势进行 了分析。 关键词： 复合材料压力容器； 研究进展 ； 发展趋势； 空间系统 中图分类号： T H 4 9 ； T H1 4 5 1 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 1 4 8 3 7 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 3 0一l 2 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 2 04 0 0 6 The Re v i e w o f W o r l dwi d e S pa c e S y s t e m Co m p o s i t e Pr e s s ur e Ve s s e l a n d t h e D e v e l o p me n t T r e n d An a l y s i s ( 2 ) Y U B i n ， L I U Z h i d o n g ， J N Qi n gc h e n， C HE NG B i n， C HE N We i ， S HI X i a o q i a n g ， L I Xi n g l i ( L a n z h o u I n s t i t u t e o f P h y s i c s ， A e r o s p a c e P r e s s u r e V e s s e l R e s e a r c h C e n t e r ， L a n z h o u 7 3 0 0 0 0 ， C h i n a ) Abs t r a c t： T he s t u d y de v e l o pme n t o f o v e r s e a s c o mp o s i t e o v e r - wr a p p e d pr e s s u r e v e s s e l us e d i n s pa c e s y s t e n wa s r e v i e we d， a n d s t u d y r e s u h o f c o mp o s i t e o v e rwr a p pe d p r e s s u r e v e s s e l f o r o u r c o u n t r y wa s s u m ma r i z e d T h e d e v e l o p me n t t r e n d a n a l y s i s o f c o mp o s i t e o v e r - w r a p p e d p r e s s u r e v e s s e l u s e d i n s p a c e s y s - - t e m for o u r c o u n t ry w a s fi n i s h e d i n t e r ms o f o v e r s e a s d e v e l o p me n t s i t u a t i o n Ke y wo r d s ： c o mp o s i t e o v e rw r a p p e d p r e s s u r e v e s s e l ； s t u d y d e v e l o p me n t ； d e v e l o p me n t t r e n d； s p a c e s y s - t ern ( 接上 期 ) 1 1 1 3 法国 A e r o S p a t i a l e空间研究中心( A S ) 法国 A e r o S p a t i a l e 空间研究 中心( A S ) 也长期 从事空间 C O P V的研究 ， A S从 1 9 5 9年就开始着 手空间 C O P V的研究 ， 所研制 C O P V应 用于 T V S A T卫 星 、 T D F 1卫 星 、 E U R O S T A R 卫 星 、 D F S 卫星 、 T e l ex卫星 、 A R I A N E 4火箭等 空间 飞行 器， 截至 1 9 8 4年 ， 已经为空间系统研制 C O P V的 数量超过 1 0 0 0个。 1 9 8 4年以前 ， A S为 T a l eX卫 星和 T v S A T 分别研制 了 3 5 L和 5 1 L钛衬芳纶缠绕 C O P V， 两 C O P V结构设计 基 本相 同； 在 成熟技 术基 础上 ， 3 0 1 9 8 4年 ， A S又为 T V S A TT D F 1星 D B S 项 目研 制了T C 4钛合金 内衬芳纶纤维球形 C O P V 。 研究发现缠绕纤维 向正反方 向滑移 1 。 所造 成的 C O P V强度损失分别为 2 9 和 5 5 。为了提 高 C O P V纤维缠绕精度 ， A s委托法 国 L i e g e大学 为其研发了 C O P V研制专用的纤维缠绕成型 C A D C A M系统( S A MC E F ) ， S A MC E F可以减少人 工繁琐的计算工作， 提供多种设计方案， 缩短设计 周期， 保证纤维按最佳线型进行缠绕， 提高产品质 量和成品率。 随着 I M 系列碳纤维在空间 C O P V领域 的推 第2 9卷第 4期 压一力 容 器 总第 2 3 3期 广 ， A S从 1 9 8 8年 也 开 始 了 I M6碳 纤 维 缠 绕 C O P V的研 究 ， 相 比美 国 S C I对 I M6碳纤 维 C O P V的研究晚两年， 当时 A S已经通过调研得知 I M6碳纤维相 比芳纶纤维具有绝对 的强度性能优 势和 I M6碳纤维空间应用可行性的分析结果 ， 但 是 A S的严谨科学态度致使其针对碳纤维缠绕 C O P V进行了一系列的研制技术摸索和性能鉴定 试验， 以验证其空间应用的可行性， 其制造多个 0 0 m m圆柱形和 0 3 m m球形 I M6一C O P V以 进行鉴定试验 ， 试验包括 一 6 0 9 0的温度冲击 试验 、 1 0 0 0次疲劳寿命试验 、 9 0天工作压力试验 、 验证压力下声发射检 验、 爆破压力试验 ， 所研制 C O P V性能对比结果见表 1 ， 证实了 I M 6碳纤维替 代芳纶纤维的必然趋势 。 表 1 A S 研 制的芳纶纤维与碳纤维缠 绕 C O P V性能对 比分析 T VS AT T DF E UROS T AR CIC 0P V C 2一C 0P V C O P V类型 钛内衬 芳纶 钛内彬 芳纶 钛内 ff I M6 钛内$ I M 6 工作压力 M P a 2 5 1 2 7 6 3 0 0 2 7 6 容f t , L 5 1 5 3 5 5 3 5 5 5 1 净重 k g l 1 2 7 9 7 2 7 8 安全系数 1 5 2 1 5 2 1 5 2 1 3 1 5 性能因- k m l 1 8 1 2 6 1 5 1 1 8 4 1 1 1 4 日本航天发展局( N A S D A) 日本航天发展局 ( N A S D A) 为本 国空 间系统 研制了大量的 C O P V， 其中复合材料低温贮箱研 制技术 较为成熟 。1 9 9 7年 ， N A S D A联合 E t 本 国 家航天实验室 ( N A L ) 针对 C O P V纤维低温力学性 能和 C O P V树脂基体低温抗裂纹扩展性能进行了 研究 ， 并为空间用 复合材料低温贮箱研制 了低温 高韧性树脂材料 。 1 9 9 9年， N A S D A与 N A L合作对可重复适用 航天运载器 ( R L V) 用复合材料低 温贮箱 的可行 性进行了分析 ， 并拟定 了研究方案 ， N A S D A全 复合材料低温贮箱 的研究 路线和美 国空军试验 ( A F R L ) 基本一致， 均是将研发高性能低温复合 材料作为项 目攻关的核心技术。通过复合材料低 温性能研究表明： 纤维缠绕增强高韧性树脂复合 材料低温下力学性能相对常温环境下降 2 0 ， 在 较低的应力下就会发生裂纹起裂 ， 可能导致全复 合材料贮箱介质泄漏 ， 复合材料性能温度与损伤 特征与应力的关系分别见图 1 5 ( a ) ， ( b ) ， 拟定 的 研制方案是研制低温贮箱缩 比样件 ， 并配套相关 的鉴定试验设备。 鋈 l 黑 置 筮 ； 要 温 环 境 r 2 蒹 葛 甍 2 蒜 鑫 -贮 1 U p gr a de te ) J -，、I 荔 l| ( t) J - I C O P Y 臻 图 1 5 N A S D A在空间系统 C O P V领域的研究成果 同年 ， N A S D A针对低温贮箱结构设计确定 了 两套方案 ： a方案 为全复合材料低温贮箱 ， b方案 为金属 内衬复合材料全缠绕低温贮箱。N A S D A 制备低温贮箱缩 比样件比例为 0 5 ， 起初采用全 复合材 C O P V结构方案 ， 内衬 材料选择为 F M1 2 3 粘结材料， 进行液氮加注试验， 发现样件各处发生 大规模泄漏 ， N A S D A对样件 剖切进行 F M1 2 3粘 结材料微观组织结构分析 ， 发现材料经历低温环 境产生大量空洞， 缺陷特征见图 l 5 ( C ) ， a 方案失 败 ， N A S D A进而对 b方案进行了深入研究 。 2 0 0 1年 ， N A S D A负责为 JI 升级型火箭第 二级研发铝合金 内衬碳纤维增强低温高韧性树脂 全缠绕复合材料贮箱 ， 贮箱 P ： 2 1 6 M P a ， P r ： 2 7 MP a ， P ： 3 2 4 MP a ， 疲 劳寿命 ： P 1 2次 、 P 5 国内外空间复合材料压力容器研究进展及发展趋势分析( 二) V o 1 2 9 N o 4 2 0 1 2 次。研制初期进行 了缩 比样件研制试验 ， 1号样 件 ： 0 0 m m1 2 4 0 mm， 内衬壁厚 0 5 m m， 试验 结果为： 验证压力试验和温度冲击试验合格 ， 验证 压力试验后内衬与复合层未产生分层 ， 爆破压力 试验证实结构效率提高， 1 号样件研制成功； 2 号 样件 ： 0 1 0 4 4 mm 2 7 7 5 mm， 内衬壁厚 1 m m， 研制 结果如下 ： C F R P固化 过程 中内衬封头发 生轻微 屈曲变形 ， 在后续的验证压力下发生屈 曲变形的 封头产生破裂 ， 同批次 2号样件进行验证 压力试 验和温度冲击试验， 简体内衬和 C F R P完好， 内衬 封头再次破坏 。针对以上问题 ， N A S D A提 出以下 解决措施 ： ( 1 ) 优化 内衬结构设计 ； ( 2 ) 提高内衬 壁厚均匀性 、 提高内衬与 C F R P的结合强度； ( 3 ) C F R P固化工艺 中铝合金 内衬的 内压调节。3条 解决措施被应用于 3号样件的研制， 3号样件： 0 0 m m1 2 0 0 m m， 内衬壁厚 1 mm， 研制结果如 下 ： C F R P固化过程和验证压力 内衬无屈 曲变形 内衬与复合材料无分层， 爆破试验后 C O P V沿筒 体开裂。3号样件研 制成功后 ， N A S D A开展 了 J I 升级型火箭第二级贮箱全比例鉴定件的研 制 ， J I 升级型火箭贮箱布局见 图 1 5 ( d ) ， 13 号样件形貌分别见图 l 5 ( e )一( g ) 。关于 N A S D A 全 比例鉴定件的研究文献 目前还未获