热塑性复材-火箭液氢存储罐·杨超凡

商业太空时代已经到来，并且正在迅速发展，不仅追求更多的卫星和空间站，还追求小行星采矿、太空制造和外星定居点。2022 年上半年，航天器发射总数为 72 次，有望打破 2021 135 次 的记录。预计 2040 年将超过 1000 次。这一增长得益于 SpaceX (美国加利福尼亚州霍桑市) 将发射成本从 1970 年至 2000 年间 的平均 18500 美元/公斤削减到猎鹰 9 号的平均 2500 美元/公斤和猎鹰9 型的预计 1500 美元/公斤。 除了削减成本，运载火箭的另一个关键目标是增加有效载荷。与传统的金属储罐相比，碳纤维增强聚合物(CFRP- Carbon fiber-reinforced polymer ) 储罐可减轻 20-40%的重量。多家公司正在开 发此类储罐，包括波音公司(美国弗吉尼亚州阿灵顿)，该公司已证明其全复合低温推进储罐的技术准备水平(TRL- technology readiness level)为6，通过了压力循环测试和最大压力测试，达到其设计要求的3.75 倍，没有任何故障迹象。

这种热固性复合材料燃料存储罐的直径为4.3 米，与NASA 太空发射系统(SLS- Space Launch System) 火箭上层的燃料存储罐大 小大致相同，该火箭的目标是到 2025 年将宇航员送上月球，德国航空航天中心(DLR) 轻量化生产技术(ZLP，德国奥格斯堡)空间相关应用项目经理，“因为你在上一级储罐中节省的每一公斤 都是你能送入太空的一公斤有效载荷。下一级或火箭助推器在发射后会返回地球，但上一级完成任务。”

在2019-2020 年的PROCOMP 项目中，DLR 开始进一步推动使用碳纤维制成的“黑色”储罐。“我们的想法是使用热塑性复合材料 ，”Brandt 说，“由于其在低温环境中的延展性，以及其他优点，例如自动化制造过程中的原位固结和无需紧固件的组装焊接。这种方法实现了一种新的两件式设计，允许您进入存储罐内部，以确保质量，并更容易地安装加注传感器和推进管理系统等 设备。后者包括防止液体低温燃料晃动的圆周舱壁和将燃料引导 至喷嘴以输送至下方火箭发动机的纵向叶片。DLR 通过制造一个小规模演示器证明了这一设计，该演示器使用低熔体聚芳醚酮(LMPAEK- low-melt polyaryletherketone) 预浸料带的原位固结自动铺丝(AFP- automated fiber placement) ，并使用带轮廓传感器和线热成像进行100%检查。