郭旭 李永 沈杰 张振 杨美宁
首都航天机械有限公司北京市100076
摘要：为进一步提高航天器的运载性能，减轻结构质量成为其发展的必经之路。推进剂贮箱作为航天器及运载火箭低温推进系统的关键结构，占箭体结构质量的60%以上，其减重效果可直接决定结构整体轻量化水平。研究表明，由高比强度、高比刚度的碳纤维复合材料制备的复合材料贮箱可实现相比于目前金属材料贮箱20%~40%的减重效果，是新一代运载火箭、深空探测器、在轨空间站等提升运载效率、降低成本、引领航天产业升级的关键，也是未来航天器国际竞争的焦点。
关键词：航天低温复合材料贮箱；渗漏性测试；数值模拟；成型工艺
引言
我国进入空间的需求不断增加，对运载火箭的运载能力和运载效率的要求也不断提高。其中，运载火箭的结构承载效率是制约运载效率提高的关键因素之一，而结构轻量化设计是提高结构承载效率的关键技术。结构设计人员在基于高比强度、高比刚度结构材料方面做了很多研究工作，成功开发了如基于铝锂合金、复合材料的高性能运载火箭舱体结构。
1渗漏性实验研究现状
在对复合材料渗漏性能的实验研究方面，美国伯明翰南方研究所的STOKES教授等于2002年开展了复合材料层合板的氢气渗漏性能研究，对石墨纤维增强双马来酰亚胺(Bismaleimide,BMI)基复合材料在四轴应变状态下的氢气渗漏性进行测试。实验结果显示，在均匀的面内应力作用下，复合材料表面最先出现损伤，随后向层合板内部扩展，随着应变水平的不断提高，最终在层合板内部形成了贯穿的裂纹。研究指出：对于未受到损伤破坏的复合材料层合板，外加应变载荷是影响其渗漏性能的最主要因素。2002年，俄罗斯赫鲁尼切夫国家航天生产中心设计了相应的实验装备以及测试程序，实验将受弯曲载荷作用的KMU-4l层合板暴露于热环境中，通过电阻元件进行加热、注入液氮制冷以调节温度变化使其遵循所设计的温度曲线，并对热循环后的试样进行原位力学性能测试。测试结果表明，试样的弯曲模量随热循环次数的增加而呈下降的趋势，这是由于高低温循环使得层合板内部产生较大的残余应力，进而产生微裂纹导致材料力学性能显著下降。
2高导热材料使用中应考虑的因素
对于高导热材料的使用，除了满足相关的热性能要求外，还需要注意以下几个方面：（1）空间环境下的性能稳定性，（2）实施工艺：要考虑实施工艺的可行性，应用于结构等温化设计时要考虑相互搭接；（3）对于光学遥感卫星，应控制导热材料的总质量损失和可凝挥发物。
3渗漏性理论研究现状
国内外在复合材料渗漏性能的理论研究主要侧重于数值模拟方面，美国德州农工大学航空航天工程系的LAGOUDAS教授团队通过计算有效渗漏系数，对低温及室温条件下复合材料层合板的渗漏率进行了评估，该有效渗漏系数由相邻层裂纹连接处的渗漏系数和裂纹沿基体横向偏移产生的渗漏系数组成。
4成型状态对杆件温度均匀性影响
由表1可以发现，1#和2#杆件模具下底面放置于平台，制作平台袋时模具上下面温度差约为10℃，3#和4#杆件模具整体制作真空袋放置于成型平台，模具上下面温度差约5℃，5#、6#、7#和8#杆件整体制袋后按简支梁型两端垫高放置于成型平台，模具上下面温差约为3℃。试验结果表明，杆件固化成型时整体制作真空袋可以较大地减小杆件上下面的温差，而且在两端架空垫高时效果更加明显。这主要是因为，1#和2#杆件平台制袋时，模具底面直接接触钢制成型平台，升温过程中，模具下底面由于热接触传递效果较为明显，下底面较上表面升温快，温差较大；而3#和4#杆件整体制袋后放置于成型平台上，在热压罐固化成型过程中，模具真空袋保持高真空度，虽模具下底面的真空袋等辅料与平台接触，但真空袋内的真空条件下的传热效率低，模具上下面仍有温差，但温差减小；5#、6#、7#和8#杆件在3#和4#杆件基础上两端垫高，有利于热压罐中热风循环，在考虑到热电偶测温误差等因素的情况下，整体制袋简支梁模型状态成型的模具上下面温度相差不大。
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4.1优化技术在新型运载火箭密封类结构的应用
作为运载火箭密封类结构的典型代表，加筋薄壳结构具有较高的比强度与比刚度，广泛应用于运载火箭结构，包括大部分火箭型号的燃料贮箱、级间段等关键承力部件。随着未来运载火箭的高承载需求，对加筋薄壳的结构性能提出了更加严格的要求。同时考虑结构减重与抗缺陷干扰，确定折减因子，对预示与提高薄壳结构承载力十分重要。液氧贮箱在火箭发射过程中承受非均匀轴压载荷作用，如果仍按照传统的设计方法，设计效率低下，需要引入非均匀的设计理念。针对受非均匀分布轴压载荷和内压载荷的液氧贮箱，提出了两步式代理模型优化方法。第1步优化，将原优化问题根据设计变量的属性进行分组，分解成若干子优化问题。第2步优化，将前一步优化结果叠加形成的组合设计作为初始设计，进行自适应抽样构建代理模型。通过非均匀加筋结构优化设计，最优设计结果相对于初始结构减重达到34%。
4.2其复合材料成型工艺优化
NASA兰利研究中心与马歇尔太空飞行中心[29]通过分析插入不同聚合物薄膜的复合材料层合板的渗漏率测试结果指出，复合材料层合板内部孔隙等缺陷的存在会显著提高其渗漏率；爱尔兰国立高威大学的LEEN教授团队[36]采用实验研究与仿真模拟相结合的方式，通过调整旋转模塑成型工艺参数，研究了孔隙率和平均孔隙大小对复合材料渗漏性能的影响。研究结果显示，层合板内部的渗漏路径倾向于沿孔隙形成。NASA在其对直径2.4m及5.5m复合材料贮箱的测试结果报告中同样指出，复合材料内部微裂纹的形成主要是孔隙所导致的，这是复合材料贮箱出现渗漏现象的根本诱因。通过工艺优化降低复合材料构件内部孔隙率
是提高其抗渗漏性能的有效手段之一。结束语
如果从全球碳纤维应用市场的整体发展趋势看,虽然这两年受疫情重挫,但是航空航天应用市场未来的生命力依然旺盛。预计未来3年,民用航空市场对碳纤维的需求量可恢复到2019年的水平。而且,当需求恢复之后,再加上球市场单通道飞机将广泛采用碳纤维及其复材,会继续对航空市场用碳纤维产生激发作用。预计到2030年,全球航空航天市场对碳纤维的用量将增长至8万吨～10万吨。总体来看,未来10年,在商业应用上,全球碳纤维的应用主驱动力将是工业,辅驱动力将是航空航天。在技术发展方面,碳纤维将依然是航空航天和工业应用‘双驱动’模式,各自驱动的产品规格都会各有特色。
参考文献
[1]张平,航空航天器复合材料部件固化炉.四川省,成都易华天宇试验设备有限责任公司,2020-04-01.
[2]雷尧飞,韩妙玲,艾素芬,沈宇新,宫顼.低密度气凝胶复合材料的火星环境适应性研究[J].宇航材料工艺,2019,49(06):86-90.
[3]张芷宁.MXene复合材料的制备及超电性能的研究[D].沈阳航空航天大学,2019.