复合材料贮箱在航天飞行器低温推进系统上的应用与关键技术

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinica0ct．252014V01．35No．102747—2755ISSN1000—6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．eduCRhkxb@buaa．edu．ca复合材料贮箱在航天飞行器低温推进系统上的应用与关键技术张辰威，张博明*北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京100191摘要：复合材料低温贮箱的研制与开发是集合了多学科的复杂科学工程。航天技术的发展对航天飞行器性能提出了更高的要求，使得低温推进系统成为了研究重点。为了进一步提高航天器的性能，必须从结构的减重人手，贮箱作为低温推进系统

2、中最大的部件，成为了未来重点发展方向。用碳纤维增强复合材料(CFRPs)代替铝合金用于制备可重复使用飞行器(RLV)的燃料贮箱成为近些年各个航天大国的重点研究方向。本文介绍了复合材料低温贮箱在航天飞行器领域研究与发展的过程，介绍了复合材料低温贮箱的一些典型型号，总结了发展复合材料低温贮箱所需解决的技术问题。关键词：复合材料；航天飞行器；贮箱；低温；减重中图分类号：V19；TB332文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)10-274709未来航天器的发展目标是低成本、高运载能力，比如单级入轨(SSTO)、低成本航天器(ELV)、可重复使用飞行器(RLV)等航天器。要实现这个目标

3、首先要解决的是结构减重问题，而推进系统是飞行器主要的结构部件之一，也是减重的关键部件口’6]。美国航空航天局(NASA)的研究表明，要实现航天器可重复使用的目标必须使净重与发射总重量比值低于0．092(净重比)L1J。环地球轨道航天器，如大推力运载火箭、载人航天、空间站，以及为深空探测任务开发的航天器都需要具有高比冲、低重复启动次数、长期贮运等性能要求，低温推进系统能够很好地满足这些要求，因此低温推进系统成为未来航天飞行器动力系统的研究重点口]。从图1可以看出相比固体推进系统(SRM)，低温推进系统(包括液氧／烃类(LOX／Hc)、液氧／液氢(LOX／LH2))具有更低的总重、更高的推进效率

4、[1]。低温推进系统所用容器包括压力容器和燃料贮箱，其中低温燃料贮箱作为低温推进系统中所占重量和体积最大的部件，是飞行器降低自重和体积的最主要部件。燃料贮箱用于贮运液氧、液氢、液态甲烷等燃料，主要特点是体积大、承载压力低，相比压力容器，贮箱的工作压力一般不会超过1MPa。美国麦道公司曾对铝合金与碳纤维复合材料(CFRPs)贮箱进行了重量对比，结果如图2所示[8]，复合材料贮箱相比金属贮箱减重可以达到20％～40％，具有十分明显的减重优势[8。1。。正是由于复合材料容器在减重方面的优势明显，因此其成为了航天飞行器低温推进系统重点研发的部件。收稿日期：2014．05—08；退修日期：2014．0

5、6—09；录用日期：2014—07—07；网络出版时间：2014—07—1608：34网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／10．7527／S1000—6893．20140140．htmI基金项目：国家“973”计划*通讯作者．Tel，：010-82338756E—mail：zbm@buaa．educn瓢用格武}ZhangCW，ZhangBM。ApplicationandkeytechnologyofcompositestankinspacecryogenicpropulsionsystemLJI．ActaAero—nauticaetAstronauticaSinic

6、a，2014．35(10)：2747-2755张辰威，张博明．复合材料贮箱在航天飞行器低温推进系统上的应用与关键技术!如．航空学报．2014，35(10)；2747-2755．航空学报Oct．252014VoI．35No．10NOtePropellantmassDrymassLaunchmassMassofpropellantsystem图1低温推进系统与固体推进系统发射质量对比‘1]Fig．1Launchmasscontrastofcryogenicpropellantsystemandsolidpropulsionsystem[1]1O。O8i06墨n402OMateria】Note：l

7、一2219aluminumalloy；2—2195aluminumalloy；3--4Somposites图2碳纤维复合材料液氧贮箱减重效率嗍Fig．2CFRPsLOX—tankweightreductionefficiencyE8]1复合材料低温容器发展概况1．1MDA公司的复合材料液氢贮箱在相关计划的支持下，美国开展了在轻型液氢、液氧贮箱等方面的研究工作，并已取得突破性进展。1987年，美国Delta和D