复合材料在航天运载器超低温燃料箱上的开发与应用

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1、第4期46纤维复合材料No.42014年12月FIBEＲCOMPOSITESDec．，2014复合材料在航天运载器超低温燃料箱上的开发与应用于柏峰(哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨150036)摘要低温燃料箱的研究是进行下一代空间探索用运载器的关键。聚合物复合材料因其优异的性能应用于超低温燃料箱，可大幅提高未来空间系统的性能。本文概述了运载器结构和性能要求，重点介绍了洛克希德马丁太空系统公司对液氢、液氧超低温复合材料燃料箱和推进系统其他部件的开发与应用。关键词复合材料;运载器;超低温燃料箱;供给线;盖板;高压容器DevelopmentandApplicationofComposites

2、ontheCryogenicTankofAerospaceVehiclesYUBaifeng(HarbinFＲPInstitute，Harbin150036)ABSTＲACTCryogenictankresearchisthekeyofthenextgenerationlaunchvehicleforspaceexploration．Polymercom-positesduetothesuperiorpropertieswereusedforcryogenictanks，whichsignificantlyimprovetheperformanceofthefu-turespac

3、esystem．Inthispaper，thestructuresandpropertyrequirementsoflaunchvehiclesweresummarized．Thecompos-itetankcontainingliquidhydrogenorliquidoxygenandtheotherpartsforpropulsionsystemweredevelopedandapplied．KEYWOＲDScomposites;launchvehicle;cryogenictank;supplyline;covers;high－pressurecylinder1引言聚合物

4、复合材料低温燃料箱是进行下一代空间探索用运载器研究的关键。复合材料低温燃料箱的应用可使运载器性能提高，成本降低，并且比铝合金燃料箱质量减轻20%～40%，能满足未来运载器净起飞质量最小化的要求。美国国家航空航天局(NASA)于2013年7月宣布完成了一项空间技术发展的里程碑，成功测试了1个大型加压低温推进剂复合材料燃料箱。这个燃料箱将为下一代火箭和太空探索所需要的航天器储存燃料。低温推进剂，是将气体冷却到低于冰点的温度，冷凝形成高度易燃液体，为人类未来长期的低轨道探索任务提供至关重要的高能量推进解决方案。液氧和液氢是传统的低温推进剂，可提供巨大的推力来发射大型火箭和航天飞机。在过

5、去，推进剂燃料箱由金属制造。NASA马歇尔太空飞行中心测试的近2．44m直径的复合材料燃料箱显著降低运载火箭的成本和质量。新燃料储箱质量减轻30%，成本降低25%。质量的减轻提高了发射能力。通过大幅减轻质量，从金属到复合材料结构的转变可大幅提高未来空间系统的性能。复合材料技术的一个潜在初始目标应用是NASA太空发射系统(SLS)重型运载火箭上面级的升级。燃料箱的制造过程代表了一系列的工业突破。2运载器结构及工作要求2．1运载器结构运载器结构一般由推进剂燃料箱，支撑结构和推进剂供给线系统构成。为了减轻运载器结构质量，增加运载量，大幅减轻运载器质量，下一代运载器的质量分数(结构质量

6、与发射质量比)迫切要求降低以增加运载效率。可重复使用已经成为新型运载器降低发射成本的主要手段。2．2运载器工作要求空间中超低温燃料箱液氢工作温度为－230℃，液氧工作温度为－183℃，复合材料低温燃料箱必须承受这样的低温并且抗微裂纹，满足长期装载能力要求。另外，燃料箱必须能承受空间大气环境侵蚀而不损失性能。可重复使用运载器系统在返回过程中温度超过4期于柏峰:复合材料在航天运载器超低温燃料箱上的开发与应用47170℃。高温是鼻锥整流罩、气动表面等复合材料结构的主要考虑因素，这些结构在发射过程中温度高达515℃。运载器主要载荷来自包括发动机驱动加速、气动载荷和振动声学载荷。燃料箱压力

7、用于提高运载器结构稳定性，以可控速率推动推进剂进入供给线系统，并维护超低温液体燃料，大型运载器燃料箱压力在30～40psi。3超低温燃料箱的开发在空间探索和运载器中，复合材料比金属燃料箱及其结构减重达20%～40%。减重对于单级入轨运载器或在轨长期储存结构来说是必要的技术，并将在NASA未来空间中广泛采用。在液体燃料运载器的有效设计中，液氢燃料箱及供给管(feedline)系统工作温度为－230℃，液氧燃料箱及供给管系统工作温度为－183℃。对于可重复使用的运载器，返回时燃料箱及