碳纤维增强热塑性复合材料的上级推进剂储罐

PROCOMP项目采用自动铺丝、原位固结和超声波焊接技术制成了一种轻质、新颖的液氢储罐。

热塑性复合材料的上级液氢储罐：通过自动铺丝、碳纤维/LMPAEK带材的原位固结以及超声波焊接组装，PROCOMP项目制成了一个示范储罐

商业太空时代已经到来并正在迅猛发展！这种发展得益于美国Spacex公司将发射成本从1970年至2000年的平均每千克18500美元大幅削减至发射猎鹰9号的平均每千克2500美元以及规划中的重型猎鹰9号的平均每千克1500美元。

除了削减成本，开发运载火箭的另一个关键目标是增加有效载荷。与传统的金属推进剂储罐相比，由碳纤维增强聚合物（CFRP）制成的燃料储罐可以减轻20%～40% 的质量，因此，包括波音在内的多家公司正在开发这种燃料储罐。波音公司还展示了其技术就绪指数（TRL）为6的全复合材料的低温推进剂储罐，该储罐通过了压力循环试验和最大压力试验，测试指标达到其设计要求的3.75倍而没有出现失效迹象。

这种热固性复合材料的储罐拥有4.3米的直径，与美国宇航局太空发射系统（SLS）旨在让宇航员于2025年登陆月球的火箭上级推进剂储罐的大小大体相同。德国航空太空中心（DLR）轻量化生产技术（ZLP）部门的空间应用项目经理表示：“减轻火箭的上级推进剂储罐的质量非常重要。因为每减轻1千克的上级储罐质量，发射到太空的有效载荷就会增加1千克。发射后，低级的火箭助推器会落回地面，但上一级将完成任务。”

2019～2020年，在PROCOMP项目实施过程中，德国航空太空中心开始推动使用碳纤维来制造“黑色”储罐，甚至还更进一步。“我们的想法是使用热塑性的复合材料。”研究人员说道，“因为热塑性的复合材料在低温环境中具有延展性，此外还具有其他优势，比如，在自动化的制造过程中具有原位固结的能力，以及无需紧固件的焊接组装能力。这样，就可以实现一种新的两个组成部分的设计，这种设计能方便你进入储罐内部进行质保检测，同时还便于安装传感器和推进管理系统。”推进管理系统包括可以防止液态冷冻燃料和纵向叶片晃动的环形舱壁，可引导燃料进入喷嘴，然后送到火箭引擎的下部。德国航空太空中心利用原位固结和自动铺丝（AFP）技术，采用低熔点的聚芳醚酮（LMPAEK）预浸带制造了一个小型的示范件，并使用带状传感器和内置的热成像技术进行了100%的检测，从而证明了这种设计。

储罐设计

自2018年以来，德国航空太空中心就一直在研究航天器的低温液氢储存技术。“在PROCOMP项目中，我们想要知道的是，将复合材料的液氢储罐用于阿丽亚娜六型火箭的上级需要做些什么。”研究人员说道，虽然SpaceX已经决定继续使用金属储罐，但欧洲的阿里亚娜六型项目将在2025～2026年测试一种新的火箭上级，它将采用由CFRP制成的液氧和液氢储罐。

PROCOMP项目团队从所需的液氢量（大约5t）着手，然后将其缩小到该团队有能力加工的范围，结果设计出一个带有圆顶的长2米、直径1.3米的圆柱形储罐。“接下来，我们必须决定在哪里将储罐一分为二，以便开发我们想要的两个组成部分的设计。虽然我们有一些不同的概念，但最终决定，将两个圆顶中的一个焊接到一个整体的部件上，该整体部件包括与储罐主体共固化的另一个圆顶以及两端的围裙。”研究人员介绍说。这些围裙被用于在由多个组成部分构成的运载火箭内部对储罐进行定位，这有助于抵御发射过程中的各种负载，以及助力第一阶段的分离和随后的飞行。

“我们从一开始就有很多设计自由度，但最终决定使用现有的模具，以及采用一种可使整体部分的直径扩展的设计。”德国航空太空中心轻量化生产技术部门工艺与自动化研究工程师解释道，“这使得独立的圆顶能够适配整体部件的内部，可以在安装好设备后再进行焊接。对我们而言，这种方法在性能、减重和可制造性方面达到了最佳平衡。制造独立圆顶采用的模具与制造整体部件的模具完全一样，这使我们省去了额外的模具费用。”

“但是，这种两部分的设计还需要在整体部件的开放式围裙部分定义一个凸起的内部，用于在焊接前对圆顶进行定位。”研究人员继续说道，“焊缝不会很宽，所以我们需要精确定位圆顶。”基于此，该团队开始使用法国达索系统公司的CATIA V5软件进行计算机辅助设计（CAD）以及采用美国Ansys公司的软件进行有限元分析（FEA）。 

设计结果：

1. 与金属储罐相比，减重20%～40%；

2. 两部件设计便于储罐检查和设备安装；

3. 对热塑性材料的自动铺丝和焊接，能够在一体化的结构中内置质保元素。 

为制造这种热塑性复合材料的上级推进剂储罐，该团队开发了一种精益制造工艺。考虑到要在-253℃和5bar的压力下使用，通过对不同的静载和屈曲载荷进行建模，该团队评估了这种储罐的层压设计。圆顶和储罐主体将使用11层单向碳纤维增强的LMPAEK带材，按照0°（储罐的纵轴）、±30°、±60°、±45°和90°的角度铺放，而储罐的围裙将增加到16层，即增加铺放0°和90°的层来抵抗屈曲。每一层的固结厚度是0.14毫米，因此，圆顶和储罐主体的厚度是1.54毫米，而围裙的厚度是2.38毫米，因为与圆顶有210毫米重叠的部分增加了0°/90°的铺层。

自动铺放和原位固结

“在从有限元/应力分析小组获得了储罐的层压结构设计后，我们必须检查采用我们的自动铺丝设备能否制造出这种储罐。”研究人员说道。所使用的设备是由德国Advanced Fibre Placement Technology公司提供的一个多层铺带头（MTLH），它源自于德国弗劳恩霍夫IPT的一个衍生产品，自2007年开始就专被用于激光辅助的带缠绕（LATW）。德国航空太空中心使用的这种多层铺带头能够铺放3层0.5英寸宽的带，它被安装在一台六轴工业机器人上，可能生产出长4米、直径3米的旋转部件。

德国航空太空中心采用一个机器人缠绕系统和铝模来制造PROCOMP项目的示范储罐（上），制造从#1圆顶（下）的AFP原位固结开始

“由于AFP铺带头触及的范围有限，我们不得不对叠层稍加调整。”研究人员说道，“但这些都是小改动。我们还尝试过将CF/LMPAEK带用作第一层，但还是决定采用一种未增强的LMPAEK膜作为粘接层。我们希望有一个可以在未来自动连接的第一层，但在圆顶区域也需要粘接，以便在铺放过程中控制好带。”

随后，完成了第一个圆顶的铺放和原位固结，然后将它从模具中取出。“接着，我们制造了第二个圆顶和储罐主体部分。”研究人员说道，“在第二步，我们稍微扩大了直径，以便能将第一个圆顶放入它的围裙内部。在此围裙处进行自动铺丝以前，我们通过在模具上增加一个铝带而达到了这个目的。”

由两个组成部分焊接而成的储罐：首先，通过自动铺丝和叠层固结，脱模后即制成#1圆顶。然后，采用同样的模具制造整体结构，包括：#2圆顶、储罐主体和两个围裙。脱模后，安装推进剂管理系统，并在焊接#1圆顶与整体部件的过程中将其用作独立装配夹具中的铁砧

“这还帮助我们构建出一个尖锐的突起，用来顶住第一个圆顶，这样，我们就能知道它是否处于正确的焊接位置。”研究人员说道，“然后，我们在第二个圆顶上安装了另一个模具，并利用自动铺丝来形成第二个围裙。我们直接将带材铺放到之前固结的罐体和第二个圆顶的一部分上。”

处于制造过程中的PROCOMP示范储罐的整体部分（上）及其带有的围裙2（采用自动铺丝固结制成）和重叠的圆顶2（下）

研究人员表示，这就是热塑性复合材料原位固结的一大优势。“你总能向部件上添加一些额外的材料，所以，整体部分包括两个完整的围裙、第二个圆顶和储罐主体。”他说道。

有人认为，自动铺丝、原位固结是一个缓慢的过程，要想获得良好的层压结构，就需要极高品质的带材。“这些说法是有道理的。但按照我们的观点，只有当你真正利用了它的优势时，原位固结才有意义。你必须为适应原位固结而调整你的设计，这需要真正理解细节。如果你只是为一个热压罐固化的热塑性塑料部件或者为一个正常的自动铺丝热固性预浸料部件而修改设计，就不会有效果。”

焊接组装

将储罐的整体部分从模具中取出后，德国航空太空中心采用其开发的连续超声波焊接技术，在一个焊接夹具中，将第一个圆顶与完成的储罐整体部分连接起来。该项目的焊接组装过程由团队的焊接专家领导。“首先，我们在第一个圆顶上安装了推进剂管理系统结构，这包括圆顶底部的圆周轮廓和一系列弯曲的纵向叶片。”研究人员介绍说，“我们用铝做了这些部件，只是为了验证这种装配概念。而对于一个实际的储罐来说，这些部件可能是复合材料的，而且将非常类似于飞机机身中的纵梁和框架。”

实际的系统部件不是关键，而将圆周轮廓用作砧板进行焊接才是关键。“我们需要用它来获得压固热塑性复合材料焊缝所需的压力。”研究人员说道，“我们还使用了一个易于插入和取出的附加金属结构，只是为了确保有足够的刚度，因为模具已经不能在此提供稳定性了。然后我们焊接了一个环缝，以将圆顶与整体部分连接起来。”

在PROCOMP项目中使用的焊接系统包括一台配有超声波探测器的高精度库卡机器人手臂。该超声波探测器能将振动正交导入到复合材料的层压结构中。“我们直接将超声变幅杆用在储罐的外表面上，摩擦热仅在焊接接触区产生。”研究人员说道，“我们插入了一个60微米厚的未增强的LMPAEK层作为两个被焊表面之间的能量指示器。”

通常，在连续的超声波焊接中使用的能量指示器用于将能量集中在焊缝区域。与增强的焊缝表面相比，纯的树脂增加了来自超声波的振动阻尼，产生的摩擦热可以熔化这些表面的基体。焊接速度是20～25毫米/秒，焊接力是400～600牛顿。

“一开始，我们计划了一个更宽的焊接区。”研究人员说道，“但经过一些计算后，我们认为可以减小它。对于该示范件，我们计划了两条15毫米宽的焊缝，但由于模具问题，我们决定只使用一条。”

100%的在线检测

另一个重要目标是，利用PROCOMP团队的队友开发的自动化系统来保证质量。“她将激光线和一个特殊的摄像头结合在一起，能自动测量被铺放的带材的高度剖面。它基本上是一个先进的激光三角测量传感器。”研究人员解释道。类似的系统已由奥地利Profactor公司、西班牙Danobat Composites公司和ZAero零缺陷复合材料制造项目的其他合作伙伴开发出来。

“采用该系统，我们可以连续地检测间隙、重叠和其他缺陷，意味着这些缺陷将被考虑到下一层的应用中，这很重要，因为每一层的间隙和重叠叠加起来就会形成高度偏差，影响层压结构的性能。因此，我们可以以一种非常精确的方式来检测这些偏差，但是在每一层之后我们还有一个完整的三维表面。这些都是在原位完成的，意味着这些检测不需要额外的机器人或时间。”

PROCOMP项目开发了一种在线检测系统，利用激光线和特殊的摄像头，在自动铺丝、原位固结的过程中检测间隙和重叠

这些数据是必要的，能够反映“制造出的部件完全符合 CAD 设计且避免了由缺陷导致的强度的明显降低”。但是，如果在自动铺丝过程中检测到间隙和重叠会怎样呢？“在PROCOMP项目中，我们只是示范性地检测，而没有用于调整机器人路径的程序。”研究人员说道，“但是，如果在多个叠层中有间隙和重叠，最终可能会得到一个拥有永久波状或变形的层压结构，因此，找到一种解决方案来管理原位固结层压结构的这个问题非常重要。”

“当出现间隙和重叠时，潜在的适应能力是存在的，但你必须格外小心。”研究人员说道，“比如，对于储罐来说，这样做对于避免最终结构出现泄漏可能是有意义的。但是，如果你调整了机器人的路径，也就调整了纤维角度，所以，你需要分析随纤维角度而变化的间隙或重叠将如何影响最终储罐的性能。”

检测系统的第二部分是利用红外线（IR）摄像头的内置热成像。“此概念是检测自动铺丝过程中的固结问题。”研究人员介绍说，“我们将摄像头放在自动铺丝头上紧靠压实辊的地方，这样就能在压实后测量带材的温度。夹杂在刚铺好的带与下面层压板之间的任何空气都起到绝缘体的作用。然后，我们会在原位比较冷却速率，以确定潜在的缺陷。我们有了很好的结果，比如，我的同事用Kapton聚酰胺薄膜模拟了显而易见的错误，然后他们开发了一种算法，可以跟踪红外摄像头的像素，然后输出温度梯度，这样就可以观察并判断它是否在正常的层压行为范围内，或者是否有问题。”

内置的热成像系统在自动铺丝过程中检测固结缺陷

所有的检测数据与来自自动铺丝头、机器人和采用集成数据管理系统的加热源的控制器的数据一起被储存起来。研究人员表示，这是可用的开源软件，所有被收集的数据自动使用上下元数据进行注释，以便利用捕获时间、自动铺丝层、路线编号以及部件上的空间位置，轻松选择感兴趣的区域。一个看板也被开发出来，用以实时监控过程，通过趋势分析识别出现的问题，包括能够评估部件质量以及分析工艺数据的相关性。

未来发展：液氢飞机?

PROCOMP团队认为，该项目完成的示范储罐是成功的。“从计算载荷到设计储罐、编程自动铺丝工艺、焊接两个组成部分直到将推进管理系统集成到储罐内部，我们证明了我们的制造工艺是极其可靠的。所以，我们取得了很大的成功。对于PROCOMP项目无法解决的问题，我们已经开始在另一个项目中展开研究。”

另一个有趣的方面是，在该项目执行的过程中，出现了在飞机上储存氢气的研究浪潮。波音公司正在寻求将其热固性复合材料的低温储罐推广应用到零排放的飞机液氢储存领域，而空客已经宣布，其第一架此类飞机将于2035年投入使用，为此，该公司的多个开发中心将分别于2023 年和2026年对液氢储罐进行地面测试和飞行测试。

“我认为，我们展示了一些关键优势，这些优势甚至有利于飞机上的液氢储罐。”研究人员说道，“这些储罐很可能不会被整合到飞机的机翼上，至少在经典设计的第一个版本中是这样。因此，作为额外的结构，这些储罐必须尽可能得轻。在这类储罐中使用碳纤维增强塑料可能不会立竿见影, 但从长远来看，我相信这是唯一的解决方案, 而且热塑性复合材料确实有可能发挥关键作用。”

文章来源：CompositesWorld