美国最新研制的无内衬全复合材料低温压力容器

付 丽 石宇萌 赵峥嵘 李雨灿 康开华

综述·专稿

美国最新研制的无内衬全复合材料低温压力容器

付 丽1石宇萌1赵峥嵘2李雨灿3康开华1

（1. 北京航天长征科技信息研究所，北京 100076；2. 航天材料及工艺研究所，北京 100076；3. 航天万源实业有限公司，北京 100076）

介绍美国最新研制的无内衬全复合材料低温压力容器。概述了压力容器的发展以及复合材料压力容器的主要分类。阐述了美国ICT公司开展的低温全复合材料压力容器的研制情况，以低温球形贮箱（CryoSphere）的研制为重点，从贮箱材料、制造工艺和试验情况三方面介绍，并阐明了该型贮箱的后续研究计划。

复合材料；压力容器；低温；球形贮箱

1 引言

从压力容器的发展历程来看，压力容器通常分为以下5类，如表1所示。

表1 压力容器的基本分类[1]

无内衬复合材料压力容器（即V型压力容器）一直是设计碳纤维复合材料压力容器的目标。传统上，I至IV类型的压力容器都采用了一定百分比的金属材料，至少采用金属内衬间隔所贮存的气体或液体与复合材料（如IV型压力容器）。贮箱作为压力容器的一类，与金属贮箱相比，复合材料贮箱在重量和成本方面具有显著优势，取消金属部件可以大大减轻贮箱的重量。研究表明，复合材料应用于运载器贮箱可使结构减重20%～40%。不仅可以降低运载火箭的成本，还可以增加有效载荷运载能力。复合材料贮箱是未来航天运载器贮箱材料发展的方向之一[2]。

目前，复合材料压力容器主要分为两大类：一是含内衬复合材料压力容器，二是无内衬复合材料压力容器，即全复合材料压力容器。这两类压力容器都在国外的航天器上得到过应用研究，具体情况见表2。

表2 国外航天器上的复合材料压力容器

含内衬复合材料压力容器，存在内衬可能失效的问题，如X-33碳纤维/环氧树脂复合材料液氢贮箱。1999年，马歇尔航天飞行中心对X-33液氢贮箱进行了地面试验，试验中，箱体外衬层和蜂窝夹心层与内衬层分离，导致试验失败。试验失败的部分原因是复合材料内衬层的聚合物基体产生了微裂纹[4]。

无内衬全复合材料压力容器取消了内衬，进一步减小了贮箱质量，避免了内衬失效，但也存在微裂纹问题。全复合材料低温压力容器，尤其是球形压力容器，因其体积小，被认为是实现长期太空探索和生存的关键技术。然而，全复合材料液氮或液氧压力容器往往会引发层压板微裂纹这一难以解决的问题。由于复合材料层压板暴露于极端温度（极端低温）时，各层之间的热膨胀系数（CTE）差异会导致开裂和泄漏。许多树脂在低温下也会变脆，从而加剧了这一问题。

虽然许多航天机构（如NASA）开发的月球着陆器都采用了球形设计，但目前为止，采用的都是质量更重、燃烧效率更低的金属球体或球形金属复合材料缠绕压力容器(COPV)。因此，研制全复合材料压力容器成为压力容器制造商争相追求的终极目标。

2 美国ICT公司研制的全复合材料压力容器

2020年4月，美国Infinite Composites Technologies （ICT）公司宣布开发出球形无内衬全复合材料低温压力容器——低温球形贮箱（CryoSphere），解决了微裂纹问题，可用于火箭低温推进剂贮存。介绍了ICT公司无内衬全复合材料压力容器的研制情况。

2.1 ICT公司概况

ICT公司成立于2010年，前身是CleanNG LL（主要生产天然气汽车的贮气压力容器），是美国唯一一家通过AS9100D和ISO 9001：2015认证的无内衬复合材料压力容器制造商，可以设计、开发和制造先进的贮存系统。该公司致力于颠覆复合材料压力容器技术，使复合材料压力容器能够广泛应用于太空探索和可持续性空间运输。与传统的航天器压力容器相比，该公司简化了全复合材料设计，通过减少质量、成本和交付时间，为存储压缩和低温流体提供了最佳解决方案。2016年，公司更名为Infinite Composites Technologies，自此，ICT公司主要专注于商业航天项目。

2.2 全复合材料低温压力容器的研制

在开展低温球形贮箱（CryoSphere）研制前，ICT公司积累了大量经验。

2013年，该公司向美国俄克拉荷马州申请了资金，并从美国科学技术进步中心（OCAST）获得了一笔为期三年的30万美元的资金，用于低温贮箱材料特性和材料测试。这个项目取得了一定的成功，找到了一些不错的候选材料，因此，公司继续推进这一方案，并开始申请其他项目。

2018年，ICT公司向美国国家航空航天局（NASA）约翰逊航天中心推出了低温贮箱方案，随后开始了一项复合材料低温贮箱快速开发项目，该贮箱将用于月球着陆器。该着陆器类似于NASA之前研发的Morpheus垂直起降（VTVL）测试型着陆器。要求贮箱能够承受10次压力为689.48kPa的液氮循环，测试期间温度下降到-178.89℃，然后又回到环境温度。此外，在每个液氮循环之间进行30min的氦气检查，期间贮箱压力的下降不得超过68.95kPa，并且需要承受6894.76kPa（±689.48kPa）的循环后低温冲击。该圆柱形低温容器的第一轮测试取得了部分成功，仅经历了五次低温循环，随后开始泄漏，问题在于层压板中的微裂纹。完成测试后，研制团队重新将工作重点放在贮箱设计上。

ICT公司目前的产品主要有两类，一类是成品压力容器infintie CPV（infinite Composite Pressure Vessel ，iCPV），已经投产应用；一类是低温球形贮箱（CryoSphere），正在研制中，未来有望用于月球着陆器。

2.2.1 InfintieCPV压力容器

Infinite CPV是一款V型无衬层复合材料压力容器，采用圆柱形形状（见图1）。据ICT公司表示，圆柱形Infinite CPV压力容器已经集成到2020年发射运载火箭中。出于保密原因，ICT公司没有透露产品的具体去向[3]。Infinite CPV（iCPV）是一种简化的全复合材料设计，以最小的重量实现了最大的燃料存储容量。对于需要在给定空间内最大程度地增加燃料或对重量非常敏感的客户来说，iCPV是理想的选择。 iCPV的最佳性能参数参见表3。

图1 infiniteCPV压力容器

表3 iCPV的最佳性能参数[4]

2.2.2 低温球形贮箱

a. 贮箱材料

低温球形贮箱（CryoSphere）本质上是infintieCPV压力容器的进化。据ICT公司表示，低温球形贮箱（CryoSphere）的核心技术是材料[3]。

CryoSphere采用的是日本东丽（Toray）公司的T800碳纤维和环氧树脂。为了解决微裂纹，ICT公司在化学增韧环氧树脂基体（已申请专利）中迭代测试不同浓度的添加剂。过程中研究小组发现了两种添加剂的组合，使贮箱在再次测试时可以满足热要求。其中一种添加剂就是石墨烯[3]。

该石墨烯由应用石墨烯材料（Applied Graphene Materials）公司提供，作为纳米级的机械增强材料，石墨烯薄片在纤维之间拉伸，阻碍了层压板中裂纹的形成，还提高了层间键合的强度。

此外，基体中还掺入了其他专有添加剂，使层压板在低温下更具延展性，并使层压板具备更好的隔热性能。

b. 贮箱制造工艺

CryoSphere通过纤维缠绕制成，在室温下固化，然后在ICT公司位于塔尔萨工厂的工业烤箱（即高压釜）中进行后固化。采用的设备和制造工艺简单，可大大降低制造成本。

此外，球形设计本身也是一个挑战。制造期间，球形表面比圆柱形表面更容易产生纤维滑移，这是由于所需的缠绕角度以及心轴的表面光洁度无法产生足够的摩擦力而导致，使纤维控制和铺放都很困难[3]。

但是，球形设计还有一个意外的好处，即有助于解决微裂纹问题。研究团队在早期设计迭代中发现，由于加注过程持续1h，-178.89℃的液氮注入贮箱底部，贮箱顶部的气态氮为-95.56℃，导致箱底和箱顶之间的温差约为65.56℃。当层压板上的温度梯度非常大时，会导致破裂。而采用球形设计，使得贮箱顶部和底部之间的温度梯度减小了，从而有助于避免微裂纹[3]。

c. 贮箱试验情况

2019年底，ICT公司与NASA肯尼迪航天中心签订合同，提供了两个CryoSpheres球形低温贮箱测试，其尺寸仅为Morpheus着陆器圆柱形贮箱的一半，见图2。CryoSpheres完成了所有的热循环测试，并且，在每个循环之间氦气检查，确保没有形成微裂纹。此外，还有其他三家供应商争夺该合同，但是直到ICT公司完成测试时，其他供应商甚至还没有研制出第一个贮箱原型。

图2 测试前后的CryoSpheres球形低温贮箱

2.3 未来研究计划

ICT公司的发展离不开各方的资助。ICT公司还获得了NASA 材料国际空间站（Materials International Space Station Experiment, MISSE）计划的资助，计划将材料发送到国际空间站（ISS）实验。为此，ICT建造了直径63.5mm的球体压力容器，选择该尺寸主要是出于测试方便的目的，这种尺寸的球体可应用于机器人气动系统。

2020年2月，ICT公司向NASA兰利高级研究中心提供了5个CryoSphere。最初计划于2020年8月执行MISSE发射到国际空间站，但是，目前已经推迟到了11月。

到达国际空间站后，CryoSphere将被放置在空间站的外部，并在其上安装辐射传感器，大约六个月的研究，测试材料在绕地球旋转和直接暴露于热和辐射下的耐久力。如果测试成功，ICT公司将把CryoSpheres收回准其他低温测试，并评估辐射对材料的影响，主要考虑的是树脂中的化学键受到什么影响。测试后，下一步就是飞行资格认证。ICT公司已经根据美国航空航天学会（AIAA）S-081B标准完成了大约一半的资格测试，预计其余的测试将在2020年第三季度末完成。ICT公司计划将贮箱直径扩大到1219.2mm，是NASA正在开发的商用月球着陆器的尺寸。如该项技术得以实现，对太空探索和可持续运输具有革新意义。

3 结束语

与金属压力容器相比，复合材料压力容器具有显著的成本和制造优势。复合材料压力容器作为一种前沿技术在航天领域具有广阔的发展前景。介绍了美国ICT公司复合材料压力容器的研制情况，ICT公司是美国唯一一家通过AS9100D和ISO 9001：2015认证的无内衬复合材料压力容器制造商，从技术成就来看，ICT公司的竞争对手一直在尝试开发该技术超过15年，但没有成功。ICT公司的研制技术对我国开展无内衬复合材料压力容器的研制具有重要的借鉴意义。

1 About tank types [DB/OL]. https://www.infinitecomposites.com/composite-pressure-vessel-resources.[2020-08-07]

2 黄诚，刘德博，吴会强，等. 我国航天运载器复合材料贮箱应用展望[J].沈阳航空航天大学学报，2016(2)：28～33

3 MASON H. Developing a linerless, all-composite, spherical cryotank[DB/OL]. https://www.compositesworld.com/articles/developing-a-linerless-all-composite-spherical-cryotank.[2020-07-24]

4 iCPV results[DB/OL]. https://www.infinitecomposites.com/infinite-composite-pressure-vessels.[2020-08-07]

New Linerless, All-Composite Cryogenic Pressure Vessels Developed in the USA

Fu Li1Shi Yumeng1Zhao Zhengrong2Li Yucan3Kang Kaihua1

(1. Beijing Long March Institute of Space Science and Technology Information, Beijing 100076；2. Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology, Beijing 100076；3. Aerospace Wanyuan Enterprises Corporation Limited, Beijing 100076)

This paper mainly introduces new linerless, all composite cryogenic pressure vessels developed in the United States. The development of pressure veseels and the main classification of composite pressure vessels are summarized. In this paper, the development of cryogenic all-composite pressure vessel developed by ICT Corporation in the United States is described, focusing on the development of CryoSphere, the material, manufacturing process and test of CryoSphere are introduced, and the follow-up research plan of CryoSphere is also presented.

composites；pressure vessel；cryogenic；spherical tank

付丽（1990），硕士，英语专业；研究方向：科技情报。

2020-09-07