于 斌，劉志棟，趙為偉，申 健，靳慶臣，栗 剛，程 彬

(1.蘭州空間技術物理研究所航天壓力容器研制中心，甘肅 蘭州730000;2.空軍駐甘肅軍代表室，甘肅蘭州 730000)

0 引言

相對于全金屬氣瓶，復合材料氣瓶具有質量輕、剛度好、容器特性系數(shù)高、可靠性高、抗疲勞性能好、負載工作壽命長、疲勞循環(huán)和槍擊失效模式安全、可設計性強、生產(chǎn)費用低、研制周期短等諸多特點，在航天、航空和民用領域得到越來越廣泛的應用。

目前國外技術力量雄厚的復合材料公司擁有先進的纖維纏繞設備，在技術、人才及軍品生產(chǎn)方面具有豐富的經(jīng)驗，帶動了復合材料氣瓶整體研制技術的發(fā)展，如美國SCI工業(yè)公司、Lincoln復合材料公司、Hydrospin公司、Kaiser復合材料公司、ARDE復合材料公司、Thiokol公司、Brunswick公司、俄羅斯依熱夫斯基鋼瓶有限公司、法國HM公司、韓國NK公司等。國外發(fā)達國家復合材料氣瓶標準制定通過多型號復合材料氣瓶研制、長時間的驗證，經(jīng)過多次改版，也較為成熟，在可靠性、安全性和過程控制方面的規(guī)范較為系統(tǒng)。

近20年來，中國復合材料氣瓶的研制技術也取得很大的進步，部分產(chǎn)品性能也達到了國際先進水平，但是相比國外發(fā)達國家，目前中國復合材料氣瓶標準相對缺乏，復合材料氣瓶產(chǎn)品研發(fā)和設計缺少標準規(guī)范，而其標準制定工作的開展對產(chǎn)品研制技術的提高和產(chǎn)品質量的保證尤為重要。文中通過對復合材料氣瓶研制進展、應用、發(fā)展趨勢和標準概況的調研，分析了中國復合材料氣瓶標準的形勢，并提出了幾點建議。

1 中國外復合材料氣瓶的研制進展、應用、發(fā)展趨勢及成型技術發(fā)展趨勢

1.1 復合材料氣瓶的研制進展

復合材料氣瓶的發(fā)展始于20世紀50年代，是基于火箭發(fā)動機復合材料殼體技術，在金屬殼體表面纏繞玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料。1963年用于衛(wèi)星及航天復合壓力容器，起初主要研制橡膠內襯玻璃纖維纏繞復合材料氣瓶，后由于提高其可靠性等原因，著手研究金屬內襯復合材料氣瓶，以S玻璃和凱夫拉纖維復合的金屬內襯輕質量壓力容器逐漸取代傳統(tǒng)的全金屬氣瓶。20世紀70年代，美國國家航空航天技術轉向民用商業(yè)市場，美國運輸部批準復合材料氣瓶，采用玻纖和凱夫拉纖維生產(chǎn)環(huán)纏繞氣瓶。20世紀80年代，其他有關國家批準復合材料氣瓶用于商業(yè)市場，呼吸器成為復合材料氣瓶的最大市場。20世紀80年代中期，生產(chǎn)出了高強度碳纖維，性能優(yōu)越的碳纖維使得結構效率更高的復合材料氣瓶應用于航天航空領域;20世紀90年代，壓縮天然氣車用瓶成為民用領域復合氣瓶的主要市場之一。

中國于20世紀50年代針對“兩彈一星”國防建設開展了纖維纏繞技術的研究，20世紀60年代為攻關玻璃鋼固體火箭發(fā)動機殼體制造技術，更進一步地奠定了纏繞技術的基礎，而后將固體火箭發(fā)動機殼體制造技術移植到復合材料氣瓶的研制中，在航天航空系統(tǒng)得到推廣應用，后又轉向民用商業(yè)市場。近20年來，中國在復合材料氣瓶的研制方面也取得了長足的進步，應用也越來越廣泛。

1.2 復合材料氣瓶的典型應用

復合材料氣瓶已發(fā)展成為航空航天結構動力系統(tǒng)的關鍵組成部件之一，無論從結構重量還是從所占據(jù)的幾何空間上看，都占有極高比例。

在航天領域，復合材料氣瓶性能因子高和可以有效降低有效載荷的特點使其逐漸替代全金屬氣瓶。復合氣瓶在航天領域的應用如下:SCI公司為HS2601衛(wèi)星平臺推進系統(tǒng)研制了圓柱形鋁合金內襯碳纖維纏繞復合材料氣瓶，工作壓力28.96 MPa;Matra Marconi公司和ARDE公司聯(lián)合為歐洲星2000研制了圓柱形inconel合金內襯碳纖維纏繞復合材料氣瓶，工作壓力31 MPa;Lincoln公司為深空計劃研制了球形5086鋁合金內襯T40碳纖維纏繞復合材料氣瓶，工作壓力34.47 MPa;Kaiser公司為氙離子推進系統(tǒng)研制了鈦內襯T1000碳纖維纏繞錐形復合材料氣瓶，工作壓力17.24 MPa;Brunswick公司為 FS－1300衛(wèi)星平臺研制了球形6061鋁合金內襯T40碳纖維纏繞復合材料氣瓶，工作壓力 27.58 MPa［1］。Hughes702 衛(wèi)星［2］、Mitex 衛(wèi)星［3］、火星探測計劃［4］、Delta Ⅷ火箭上面級［5］用復合材料氣瓶和宇航員 MMU 系統(tǒng)(Manned Maneuvering Unit)［6］如圖1所示。中國復合材料氣瓶在航天領域也有一定的應用［7］。

圖1 復合材料氣瓶在航天領域的應用

在航空領域，復合材料氣瓶具有較高的可靠性、負載工作壽命長、爆破前先泄漏(LBB)和無高能量沖擊碎片的槍擊失效模式特點，使其逐漸替代全金屬氣瓶。美國SCI復合材料公司、Lincoln復合材料公司、Kaiser復合材料公司、ARDE公司為其本國的軍用飛機研制了大量不同規(guī)格的復合材料氣瓶，在 F－84，F(xiàn)－102，F(xiàn)－101，F(xiàn)－106等戰(zhàn)機上獲得了成功應用［8］。

以SCI公司為例，該公司為美國多種軍機研制了多種型號的復合氣瓶，內襯材料6061－T62鋁合金，由碳纖維增強環(huán)氧樹脂濕法纏繞成型［9］。其中ALT－531A復合氣瓶用于輕型轟炸機緊急壓縮系統(tǒng)(EPU)系統(tǒng)，PMEOP為38.2 MPa，安全系數(shù)為3;AC－5022A復合氣瓶用于輕型飛機壓縮空氣引擎啟動系統(tǒng)(PASS)，PMEOP為34.5 MPa，安全系數(shù)為2.7;ALT－383A復合氣瓶用于戰(zhàn)斗機能量貯存系統(tǒng)(SES)，PMEOP為21 MPa，安全系數(shù)為3。圖2示出了ALT－383A氣瓶形貌、SCI空軍氣瓶、槍擊試驗和火燒試驗記錄。

圖2 美國空軍用ALT－383A復合氣瓶

中國航空復合材料氣瓶的研制開始于20世紀60年代，在多種機型上也得到了成功應用，但軍用飛機各系統(tǒng)的復合材料氣瓶替代金屬氣瓶的替代比例與國外還存在一定差距，目前中國部分復合材料氣瓶研制單位技術水平和所研制產(chǎn)品可靠性、安全性能夠滿足航空軍用飛機用復合氣瓶的技術要求。

在民用領域，復合材料氣瓶的應用主要包括:壓縮氣體和液化氣體用復合材料氣瓶、車用壓縮天然氣氣瓶、呼吸氣瓶［10］。而目前車用壓縮天然氣氣瓶具有較大的市場份額，應用車用壓縮天然氣氣瓶是替代石油資源的新能源政策，有效降低汽車的尾氣排放所造成的污染。

1.3 復合材料氣瓶的發(fā)展趨勢

1.3.1 航天領域

利用地圖無憂軟件將已結束項目任務數(shù)據(jù)導入其中(已處理掉異常數(shù)據(jù))，按照價格區(qū)間進行分類，繪制了如下任務點的空間分布圖，其中紅色表示價格區(qū)間為65-67元，藍色表示價格區(qū)間為67-70元，紫色表示價格區(qū)間為70-75元，灰色表示價格區(qū)間為80-85元，在地圖上標識出這些點后，我們通過觀察可以看出這些點圍繞在廣州、佛山、東莞、深圳四市市中心周圍，并且靠近市中心價格較低，遠離市中心價格較高。

1.3.1.1 輕質高強

輕質高強特點是復合材料氣瓶發(fā)展的主要趨勢之一，航天器高額的發(fā)射與維護費用要求航天器上的所有結構與部件具有最小的質量。航天器的質量越大，軌道維持和姿態(tài)控制的技術難度也就越大，消耗的推進劑就越多。在低地球軌道運行的航天器，由于殘余大氣阻力的影響，更需要頻繁的進行軌道維持與姿態(tài)調整［11］。中國目前空間站項目研制已取得階段性進展，天宮一號飛船發(fā)射入軌成功、在軌運行正常，后續(xù)的神州八號、九號、十號陸續(xù)發(fā)射，實現(xiàn)在軌對接，未來中國空間站的規(guī)模將會越來越大，需要的壓力容器數(shù)量也就越來越多，減小壓力容器質量將會極大地節(jié)約空間站的發(fā)射與維護成本。

世界發(fā)達國家均將發(fā)展航空航天動力系統(tǒng)用輕量化復合材料壓力容器作為國家重點科研課題之一，如美國NASA的新航空研究計劃和2030年前的太空探索規(guī)劃，歐洲木星探索計劃均將發(fā)展輕量化復合材料壓力容器技術列為太空探索的關鍵技術之一，并對這些技術實行嚴密封鎖［12］。

1.3.1.2 使用壽命長

(1)安全壽命長

隨著人類空間探索活動的不斷延伸與擴展，航天器的服役壽命越來越長。航天器設計壽命的延長對其內部的壓力容器也提出了更高的壽命要求。

安全壽命(應力斷裂壽命、應力破裂壽命)，即容器在一定應力載荷(恒載或變載)作用下不發(fā)生爆破失效的最長工作時間。國際空間站高壓容器應力破裂壽命要求為30年。目前分析方法主要是利用統(tǒng)計方法描述增強纖維等材料的失效與持續(xù)承載時間之間的關系，得到增強纖維在持續(xù)載荷下的承載能力相關的長期存活壽命，以分析復合材料氣瓶的應力斷裂壽命。試驗驗證方法主要包括:高應力水平試驗、大批量樣品低應力水平試驗、加速老化試驗。

(2)疲勞壽命長

不同航天系統(tǒng)因其任務性質不同對壓力容器循環(huán)疲勞壽命的要求也不同。循環(huán)疲勞壽命，即氣瓶在交變壓力載荷作用下所具有的最大循環(huán)次數(shù)，通常分為工作壓力循環(huán)壽命、驗證壓力循環(huán)壽命以及特定壓力下的循環(huán)壽命。長壽命航天器使用氣瓶需要進行大量次數(shù)的介質反復充裝，國際空間站高壓容器疲勞壽命為22000次。纖維纏繞層的循環(huán)疲勞壽命遠大于金屬內襯，復合材料氣瓶的疲勞性能取決于金屬內襯，內襯的循環(huán)疲勞壽命依賴于內襯厚度、內襯應變范圍、復合材料與內襯間的粘結、內襯厚度變化率、內襯中的裂紋等。內襯厚度還受制于加工公差、可生產(chǎn)性、運輸問題和腐蝕防護要求等［13］。疲勞壽命分析方法:1)工作在彈性狀態(tài)下的金屬內襯，一般可采用傳統(tǒng)線彈性斷裂力學技術對其循環(huán)疲勞壽命進行分析;2)非線彈性斷裂力學分析與壽命預測技術，利用低周疲勞理論和內襯材料的平均應變，可對纖維纏繞/金屬內襯在任一壓力水平下的循環(huán)疲勞壽命進行預測，如典型的是Coffin－Manson低循環(huán)理論［14］。

1.3.1.3 可靠性、安全性高

復合材料氣瓶是航天器的危險性關鍵部件，內部貯存有很高的能量，一旦發(fā)生脆性斷裂失效而產(chǎn)生爆破。因此，應保證具有較高的可靠性和爆破前先泄漏(LBB)的安全疲勞失效模式。

Brunswick研制了球形鋁內襯碳纖維纏繞復合材料氣瓶，并進行了LBB失效模式試驗，氣瓶疲勞至破壞，圖3示出氣瓶內襯截面顯示內襯裂紋擴展情況［15］。

圖3 爆破前先泄漏的疲勞安全失效模式

美國PSI公司為ETSⅧ空間飛船氙氣推進系統(tǒng)研制了TC4鈦合金內襯T1000碳纖維纏繞復合材料氙氣瓶，通過金屬內襯預制缺陷方法驗證了氣瓶滿足LBB失效模式的要求，氣瓶疲勞至167次時，從預制缺陷處裂紋起裂，如圖4(c)所示，內襯破壞，氣瓶無爆破，滿足 LBB模式要求［16］。金屬內襯預制裂紋缺陷采用激光切口(Laser notch)工藝，典型裂紋深度約 0.4 mm［17］。實現(xiàn)LBB安全疲勞失效模式所需的兩個必要條件:(1)復合層疲勞循環(huán)壽命要遠大于內襯疲勞循環(huán)壽命;(2)復合材料層能夠繼續(xù)承受當內襯發(fā)生不穩(wěn)定裂紋增長時迅速轉移的原內襯負載。

圖4 金屬預制缺陷疲勞LBB失效模式驗證

1.3.2 航空領域

航空系統(tǒng)用復合材料氣瓶的發(fā)展趨勢為輕質高強、安全壽命和疲勞壽命長、可靠性、安全性高、環(huán)境適應性能優(yōu)異等特點。其中安全性設計應包括爆破前先泄漏的失效模式、無高能量沖擊碎片的槍擊失效模式。蘭州空間技術物理研究所為航空系統(tǒng)研制了兩種型號的復合材料氣瓶，氣瓶充氣至21 MPa，被初速度大于860 m/s、直徑23 mm的穿甲彈擊中后，氣瓶未爆破也未產(chǎn)生碎片，中彈后氣瓶失效模式安全。圖5示出氣瓶中彈后的形貌照片。

圖5 無高能量沖擊碎片的槍擊安全失效模式

1.3.3 民用領域

在保證氣瓶性能的前提下，開發(fā)復合材料氣瓶低成本制造技術是氣瓶企業(yè)快速發(fā)展的主要途徑，低成本生產(chǎn)技術包括原材料、金屬內襯成型工藝、纖維樹脂復合工藝和質量控制等方面。

提高可靠性、安全性也是民用復合材料氣瓶發(fā)展的主要趨勢，復合材料氣瓶可靠性、安全性取決于金屬內襯和復合層，金屬內襯技術較為成熟，而復合材料纏繞設計工藝技術仍在不斷發(fā)展中。目前民用纏繞纖維主要采用玻璃纖維和芳綸纖維，根據(jù)我國實際國情，績優(yōu)高強纖維如碳纖維尚不如人意，需依賴進口而且價格昂貴尚不能普及到民用領域。目前大量生產(chǎn)的纖維纏繞氣瓶主要是使用玻璃纖維增強樹脂以濕法纏繞生產(chǎn)，原材料成本較低，工藝技術成熟，市場占有率較高。

針對碳纖維纏繞民用氣瓶，從先進復合材料應用發(fā)展來看，碳纖維復合材料的價格和效費比等分析比較，采用大絲束碳纖維將是今后先進復合材料降低成本的主要措施之一［18］。CNG－4型全復合材料氣瓶具有重量輕和制造成本低的特點，主要缺點是氣瓶抗外部沖擊損傷能力較低、氣密性差;相比較，CNG－3型金屬內襯纖維纏繞復合材料氣瓶安全性更高，目前主要采用焊接鋼內襯或無縫旋壓鋁內襯，由于性能和價格等原因，目前國內外CNG－3型氣瓶生產(chǎn)和銷售遠遠超過CNG－4型氣瓶。結合中國現(xiàn)有水平，研制、開發(fā)、生產(chǎn)金屬內襯復合材料氣瓶是更可靠、更現(xiàn)實的一個技術路線。

1.4 復合材料氣瓶復合材料成型工藝發(fā)展趨勢

復合材料氣瓶復合材料成型發(fā)展趨勢大致分為以下幾個方面:(1)多工藝復合化的纖維纏繞工藝，如纖維纏繞與帶鋪放工藝、拉擠工藝的結合;(2)熱塑性樹脂纏繞工藝發(fā)展，如利用其良好的力學性能和耐高溫性;(3)新型固化技術，如紅外加熱、微波加熱、火焰加熱、電子束固化等技術可縮短固化周期，減少殘余應力，提高復合材料力學、物理性能，降低成本;(4)在線固化監(jiān)測技術，如超聲技術和光纖傳感技術;(5)配備高精密張力控制系統(tǒng)的纖維纏繞設備，精確控制樹脂含量，使纖維在芯模上按規(guī)定線型嚴格排列。精密張力控制系統(tǒng)可獲得適當和平穩(wěn)的張力，能夠增強纖維構件承受內壓的能力，提高其抗疲勞特性;(6)CAD，CAM和仿真技術與傳統(tǒng)纖維纏繞工藝相結合，大大減少人工繁瑣的計算工作，提供多種設計方案，縮短設計周期，保證纖維按最佳線型進行纏繞，提高產(chǎn)品質量和成品率;(7)機器人與纏繞機相結合，機器人用于纖維纏繞具有自由度多、運動靈活、工藝范圍寬等優(yōu)點［19］。

2 復合材料氣瓶標準發(fā)展概況

2.1 航天領域

空間系統(tǒng)各類航天器和空間運載器對氣瓶類壓力容器的需求非常廣泛和普遍，如推進系統(tǒng)、流體管理系統(tǒng)、環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)和科學實驗或商業(yè)實驗系統(tǒng)需要大量的氣瓶來維持其各系統(tǒng)的正常工作。

20世紀50，60年代，空間用金屬氣瓶研制參照MIL－R－8573A，空間用金屬內襯復合材料氣瓶設計參照MIL－T－25363D，隨著材料和制造工藝的快速發(fā)展，空間用金屬內襯復合材料氣瓶設計標準替換為MIL－C－24604。截至20世紀70年代，航天用金屬氣瓶和復合材料氣瓶設計、分析和鑒定檢驗均參照美國空軍(AF)制定的MIL－STD－1522《加壓導彈和航天系統(tǒng)安全設計系統(tǒng)和操作的總要求標準》。該標準于1984年被修訂為 MIL－STD －1522A［20］，使其更規(guī)范化和嚴格控制金屬氣瓶斷裂失效，并增加了安全性相關條款，而后MIL－STD－1522A成為世界航天領域最為普遍應用的氣瓶標準。隨著航天系統(tǒng)對可靠性、安全性要求的提高，復合材料氣瓶(復合材料氣瓶)在航天領域大量應用，用MIL－STD－1522A指導航天復合材料氣瓶的研制明顯力不從心，如金屬氣瓶結構設計和氣瓶配套設備技術要求不夠詳細，碳纖維氣瓶抗沖擊損傷設計、玻璃纖維和芳綸纖維應力斷裂壽命分析、爆破前先泄漏(LBB)失效模式、復合材料氣瓶無損檢測評價(NDI)等要求沒有涵蓋。

1993年，AF和空間與火箭系統(tǒng)中心(SMC)下達任務對MIL－STD－1522A進行修訂，但由于空軍改革的原因，SMC取消了該項標準修訂在內的大量軍用標準規(guī)范的修訂計劃。1996年，美國航天和星際航空協(xié)會(AIAA)接管了MIL－STD－1522A標準的修訂任務，并成立了航天壓力容器標準委員會(APVSWG)，制定首部標準為ANSI/AIAA S－080《空間用金屬壓力容器及附件》［21］，該標準于1998年12月通過 IAAA結構委員會認可，于1999年1月出版。該標準對空間用金屬氣瓶的系統(tǒng)分析、結構設計、材料選擇、安全性、生產(chǎn)及工藝控制、鑒定檢驗、操作和維修均作了明確規(guī)定，氣瓶安全系數(shù)≥1.5。

1996年，APVSWG開始制定航天用復合材料氣瓶專用規(guī)范ANSI/AIAA S－081《空間用復合材料壓力容器》［22］，于2000年出版。S－081規(guī)定對于存貯非有害介質的復合材料氣瓶內襯安全設計，可根據(jù)LBB安全失效模式或者安全壽命進行設計。而單獨根據(jù)LBB安全失效模式進行設計，少數(shù)衛(wèi)星和火箭用復合材料氣瓶在驗收試驗或執(zhí)行任務過程中發(fā)生復合材料氣瓶泄漏事故，表明氣瓶安全設計除包括LBB模式設計，同時還應包括氣瓶安全壽命設計［23］。經(jīng)過APVSWG研究討論，最終決定將S－081修訂為S－081A，對機械損傷控制和應力斷裂壽命要求進行了修訂，增加了預發(fā)射檢測、壓力檢測和數(shù)據(jù)保留要求，ANSI/AIAA S－081A于2006年出版［24］。該標準規(guī)定對碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維纏繞氣瓶的安全系數(shù)最小值分別為1.5，1.65 和2.25。當 N ＞2 時，PT=(1+N)PMEOP/2;當 N≤2 時，PT=1.5PMEOP，且PT≤0.8Pb，對于工作狀態(tài)下處于彈性狀態(tài)的內襯設計參照S－080，反之參照S－081A(其中，N為安全系數(shù)、PT為驗證壓力、PMEOP為最大預期工作壓力、Pb為爆破壓力)。

S－081A標準對材料選擇、安全設計提供了全面的宏觀指導，要求選用A－基材料制備全尺寸復合氣瓶(FSCOPV)的性能試驗以確定纖維增強樹脂的斷裂強度，對復合材料氣瓶機械損傷控制、沖擊損傷容限、復合材料強度設計、無損檢測技術、爆破前先泄漏失效模式、性能和功能試驗進行詳細的規(guī)定。

國際標準化組織(ISO)于2003年批準了一套標準:ISO 14623《空間用壓力容器設計與操作》［25］，其適用于空間用金屬氣瓶和金屬內襯復合材料氣瓶的研制，規(guī)定復合材料氣瓶安全系數(shù)不小于1.5，應力斷裂失效存活概率不低于0.999，對于安全系數(shù)小于 4.0且壁厚小于 6.35 mm的復合材料氣瓶需進行系統(tǒng)的損傷控制設計。AIAA－S110《空間系統(tǒng)結構與結構組件、附件》規(guī)定機械零部件的承受壓力、機械載荷和熱載荷的安全系數(shù)為 1.25［26］。ASTM D2992 標準是為確定玻璃纖維管壽命而開發(fā)的一種壽命分析方法，包括疲勞循環(huán)壽命和應力破裂壽命的確定方法，也適用于壓力容器，國外航天用玻璃纖維纏繞氣瓶壽命分析也參照該標準。2006年，NRL和ARDE聯(lián)合為DeltaⅡ火箭上面級研制的D4929復合材料氦氣瓶的潔凈度要求參考MIL－STD－1246，等級為100A。

中國航天43所針對金屬內襯芳綸纖維纏繞球形壓力容器制定了GJB 2371—1995《芳綸復合材料球形容器規(guī)范》，規(guī)定N≥2，金屬內襯可選擇鈦、鋁合金，電子束焊接連接，規(guī)定了芳綸纖維力學性能及試驗方法。