熱塑性復合材料LH2罐

商業太空時代已經到來并正在迅速發展，不僅追求更多的衛星和空間站，還追求小行星采礦、太空制造和外星定居點。2022年上半年，太空飛行器發射總數為72次，有望打破2021年 135次的記錄。預計到2040年，這一數字將超過1,000。這一增長得益于SpaceX（美國）將發射成本從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。預計獵鷹9重型的發射成本為1500美元/公斤。

除了削減成本，運載火箭的另一個關鍵目標是增加有效載荷。與傳統金屬油箱相比，碳纖維增強聚合物 (CFRP) 油箱可以減輕 20-40% 的重量。多家公司正在開發此類儲罐，包括波音公司（美國），該公司的全復合材料低溫推進儲罐已證明其技術準備水平 (TRL) 已達到6，通過了壓力循環測試和最大壓力測試——達到設計要求的3.75倍且沒有任何故障跡象。

這種熱固性復合材料罐直徑為4.3米，與美國宇航局太空發射系統（SLS）火箭上層的推進劑罐大小大致相同，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）輕量化生產技術（德國）空間相關應用項目經理表示，瞄準此類火箭的上層是關鍵，因為你在上層燃料箱中節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，在發射后落回地球，但上層完成了任務。

在2019-2020年的PROCOMP項目中，德國航天中心（DLR）開始進一步推廣使用碳纖維制造的 "黑色 "儲罐。DLR中心經理繼續表示，我們的想法是使用熱塑性復合材料。由于它們在低溫環境下的延展性以及其他優勢，如在自動化制造過程中的原位固結和無緊固焊接組裝。該方法實現了一種全新的兩件式設計，可以使你進入油罐內部以保證質量，并更容易安裝填充傳感器和推進管理系統等設備。后者包括圓周隔板，以防止低溫液體燃料的晃動，以及引導燃料到噴管的縱向葉片，以輸送到下面的火箭發動機。DLR通過制造一個小型演示機來驗證這一設計，該演示機使用低熔點聚芳基醚酮（LMPAEK）預浸帶的原位固結自動纖維放置（AFP），并使用磁帶輪廓傳感器和內聯熱像儀進行100%檢測。

儲罐設計

自2018年以來，DLR一直致力于航天器的低溫液氫（LH2）存儲。DLR中心經理介紹道，在PROCOMP中，我們問歐洲阿麗亞娜6號發射裝置的上層需要什么來使用復合液氫罐。雖然SpaceX已經決定繼續使用金屬罐，但歐洲阿麗亞娜6號計劃將在2025-26年之前測試一種新的上層結構，其液氧和液氫罐均由CFRP制成。

PROCOMP團隊從LH2所需的體積開始--大約5噸--然后我們根據我們已有的工具將其縮小。縮小成一個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，以開發我們想要的兩部分設計。我們有幾個不同的概念，但最終選擇了兩個圓頂中的一個，然后將其焊接到一個集成部件上，該部件由另一個圓頂與主罐體以及兩端的裙邊共同構成。這些裙邊將罐體定位在多件式運載火箭內，并幫助抵御發射、一級分離和后續飛行中的各種載荷。

正如SAMPE 歐洲2020論文 "熱塑性復合材料上級推進劑罐的精益生產工藝 "中所述，考慮到20開爾文（-253°C）的服務溫度和5巴的壓力，通過對不同的靜態和屈曲載荷情況進行建模，對該罐的層壓設計進行了評估。穹頂和主罐體將使用11層單向（UD）碳纖維增強（CF）LMPAEK膠帶，在0°（罐體縱軸）、±30°、±60°、±45°和90°處應用，而罐體裙邊將增加到16層，并增加0°和90°層數以抵抗屈曲。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中心經理表示，在收到有限元分析/應力小組提供的油箱層壓設計后，我們必須檢查是否有可能使用我們的AFP設備制造油箱。所使用的設備是先進纖維鋪放技術（AFPT，德國）的多層鋪帶頭（MTLH），這是弗勞恩霍夫IPT（德國）公司的一個衍生產品，該公司自2007年以來一直專注于激光輔助繞帶（LATW）。DLR的MTLH可以應用多達三個0.5英寸寬的膠帶，并安裝在一個六軸工業機器人上，能夠生產長4米、直徑3米的旋轉部件。

由于AFP頭的接觸范圍有限，我們確實不得不對鋪設進行一些調整。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，但決定改用非增強的LMPAEK薄膜作為粘附層。我們希望有一個可以在未來自動連接的第一層，但也需要在穹頂區域有粘性，以便在放置過程中控制膠帶。

在那之后，第一個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，我們稍微擴大了直徑，以便有空間容納第一個圓頂。我們通過在AFP鋪設該裙邊之前在工具上添加一條鋁帶來實現這一點。

這也幫助我們創造了一個鋒利的壁架來推動第一個穹頂，這樣我們就能知道它的焊接位置是否是正確的。然后我們在第二個穹頂上安裝了一個額外的工具，并使用AFP來建立第二個裙邊。我們把膠帶直接覆蓋在先前鞏固的儲罐和第二個穹頂的一部分上。

DLR中心經理指出，這是熱塑性復合材料原位加固的一個優勢。你總是可以用額外的材料添加到部件中。因此，整體部分包括兩個完整的裙邊、第二個穹頂和儲罐的主體。

有些人批評原位固結AFP是一個緩慢的過程，需要非常高質量的膠帶來實現良好的層壓。這些觀點是合理的。在我們看來，只有當你真正利用了原位古街的好處后時，它才有意義。而且你必須使你的設計適應原位加固的過程，這需要真正了解細節。如果你只是試圖修改高壓釜固結的熱塑性塑料部件或普通AFP熱固性預浸料部件的設計，這是無效的。

在整體罐體部分從模具中取出后，使用DLR開發的連續超聲波焊接技術，將第一個圓頂和完成的整體部分在焊接夾具中連接起來。項目的這一部分是由團隊的焊接專家曼紐爾·恩格爾沙爾領導。首先，我們為第一個圓頂配備了推進劑管理系統結構，DLR中心經理說道。這些包括穹頂底部的圓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。對于一個真正的儲罐，這些可以是復合材料，將非常類似于飛機機身的弦桿和框架，所以如何生產這些是眾所周知的。

實際的系統部件并不是重點，但使用圓周輪廓作為焊接的砧板是重點。我們需要它來達到鞏固熱塑性復合材料焊縫的壓力，我們還使用了一個額外的金屬結構，易于插入和移除，只是為了確保我們有所需的剛度，因為工具不再提供穩定性。然后我們焊接了一條圓周縫，以連接圓頂和整體部分。

PROCOMP使用的焊接系統包括一個高精度的KUKA(德國)機械臂，配有一個聲納桿，具有直徑25毫米的球形軸承表面。聲納桿將振動垂直地導向復合材料層壓板。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域產生。我們在焊接的兩個表面之間插入了60微米厚的未強化LMPAEK層作為能量引導。

在連續超聲焊接中，通常使用能量導引器將能量集中在焊縫區域。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中心經理最后說到，在這個項目中，德國為飛機上儲存H2提供了大量資金。現在，我們已經看到，這種興趣出現了爆炸式增長。波音公司正尋求將其熱固性復合材料冷凍罐應用于零排放飛機的LH2存儲，而空客公司已宣布其第一架這種飛機將于2035年投入使用，多個開發中心的目標分別是在2023年和2026年對LH2罐進行地面和飛行測試。

我認為我們展示的關鍵優勢甚至可以用于飛機上的LH2儲罐。它們很可能不會被整合到飛機機翼中，至少在最初的經典設計版本中不會，因此它們將成為必須盡可能輕的額外結構。在這樣的儲罐中使用碳纖維增強塑料可能有點不直觀，但我相信從長遠來看，這是我們唯一的解決方案，而熱塑性復合材料確實可能發揮關鍵作用。