王祥龍，程 彬，劉志棟

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000)

復(fù)合材料纏繞氙氣瓶研制技術(shù)

王祥龍，程 彬，劉志棟

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000)

目前我國電推進技術(shù)在航天領(lǐng)域取得了很大的進展，具有廣闊的應(yīng)用前景，作為電推進技術(shù)的一項關(guān)鍵產(chǎn)品，氙氣瓶為電推進技術(shù)貯存和提供燃料——氙氣，除要求具備航天用氣瓶的質(zhì)量輕、強度高和爆破前先泄漏安全失效模式外，同時要求其具有高可靠性和長壽命特點。本文從產(chǎn)品性能、設(shè)計和試驗等方面闡述了某復(fù)合材料氙氣瓶的研制情況，提出了內(nèi)襯和復(fù)合層的選材要求，對內(nèi)襯結(jié)構(gòu)和復(fù)合層強度進行了設(shè)計，并對氙氣瓶的試驗進行了描述。

電推進；氙氣瓶；纖維纏繞；金屬內(nèi)襯；結(jié)構(gòu)設(shè)計

1 引 言

空間電推進技術(shù)具有高比沖、小推力、長壽命等特點。在航天器控制、深空探測和載人航天等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。國外在上世紀已經(jīng)在航天器上成功應(yīng)用，國內(nèi)從上世紀開始研究，近年來取得了很大的進展。氙氣瓶作為電推進技術(shù)的貯能設(shè)備，其性能的優(yōu)劣對電推進技術(shù)有很大影響，和航天器用的其他氣瓶一樣，氙氣瓶必須具有質(zhì)量輕、強度高和爆破前先泄漏安全失效模式等特點,同時由于電推進工作周期長，要求氙氣瓶必須具有較長的工作壽命，國內(nèi)目前要求為15～20年。本文闡述了某氙氣瓶的研制情況。

2 氣瓶設(shè)計設(shè)計指標

氣瓶的主要指標如下：

(1)工作介質(zhì)：氙氣；

(2)額定工作壓力：15 MPa(20℃下)；

(3)氣瓶質(zhì)量：≤10 kg(不含工作介質(zhì))；

(4)強度試驗壓力：22.5 MPa；

(5)爆破壓力：≥30 MPa；

(6)外漏率：工作壓力下不大于1.0×10-7Pa·m3/s；

(7)疲勞次數(shù)：額定工況下，用水壓反復(fù)加排水次數(shù)不小于100次。

3 氣瓶設(shè)計

電推進工作時間長，需求的氙氣量較大，氙氣的貯存通常采用高壓貯存模式，由于復(fù)合材料氣瓶比金屬氣瓶具有較高的承載能力，因此，氙氣瓶采用復(fù)合材料氣瓶結(jié)構(gòu)，由內(nèi)襯和復(fù)合層兩部分組成。內(nèi)襯的功能主要是包容氙氣，防止氙氣泄漏；并作為纏繞芯模,同時提供對外接口和界面。復(fù)合層的功能主要是承擔氙氣瓶的內(nèi)壓載荷。

3.1 氣瓶內(nèi)襯設(shè)計

內(nèi)襯常見形式有金屬內(nèi)襯、橡膠內(nèi)襯、塑料內(nèi)襯。同樣厚度的情況下橡膠、塑料較之金屬材料，密度小、質(zhì)量輕，且材料成本低、耐腐蝕、疲勞性能好，但橡膠和塑料在高壓下的透氣性較高，無法滿足氣瓶的氣密性要求。

通常可作為復(fù)合材料壓力容器內(nèi)襯材料的金屬有鋁合金、不銹鋼、鈦及鈦合金、Monel合金(Ni-Cu合金)及Inconel合金(Ni-Cr合金)等。對高循環(huán)壽命應(yīng)用,一般可采用屈服強度較高的鈦合金和不銹鋼等材料,工作時其內(nèi)襯應(yīng)變處于彈性范圍；對低循環(huán)壽命應(yīng)用,一般可采用鋁合金或純鈦超薄材料,工作時其應(yīng)變處于塑性范圍[1]。實際上,內(nèi)襯材料的選擇往往是多種需求綜合的結(jié)果。可根據(jù)以下特點進行選擇[2]：

(1)密度低，比屈服強度和比極限強度高；

(2)與工作介質(zhì)相容性好；

(3)低周疲勞特性和高周疲勞特性好；

(4)抗裂紋增長性能好,以保證壽命；

(5)焊接性能好；

(6)加工、成型性能好。內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)通常為不規(guī)則形狀，對氣瓶在使用中引起二次應(yīng)力，并產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，容易造成氣瓶在較低的應(yīng)力下發(fā)生失效，因此，內(nèi)襯材料必須具有良好的加工性能；

(7)抗腐蝕性好。

氙氣作為惰性氣體，其化學性能很穩(wěn)定，與常用的內(nèi)襯材料均有良好的相容性，根據(jù)其他復(fù)合材料氣瓶的研制經(jīng)驗，本次氙氣瓶內(nèi)襯材料選用工業(yè)純鈦，其中柱段和封頭采用塑性較好的TA1,接頭采用具有一定塑性，并且強度較高的TA3。復(fù)合材料高壓氣瓶內(nèi)襯材料參數(shù)見表1。

表1 復(fù)合材料高壓氣瓶內(nèi)襯材料參數(shù)

3.2 內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計

內(nèi)襯由接頭、氣口端封頭、筒段、密封端封頭和密封端接頭五部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了提高氣瓶的性能，充分發(fā)揮纖維的左右，內(nèi)襯通常設(shè)計為長圓柱型薄壁結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯壁厚根據(jù)機械加工能力、氣瓶疲勞壽命、復(fù)合層纏繞工藝等確定內(nèi)襯的基礎(chǔ)壁厚。

圖1 氙氣瓶內(nèi)襯結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 氣瓶接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括強度設(shè)計和疲勞設(shè)計兩種方式，由于氣瓶接頭附件纖維無法纏繞，氣瓶內(nèi)壓全部由金屬程度，在接頭與纖維分界面上，接頭主要承擔剪應(yīng)力作用，可根據(jù)內(nèi)壓確定接頭肩部厚度和形狀。

3.2.2 封頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

在復(fù)合材料氣瓶設(shè)計中，封頭結(jié)構(gòu)形式和形面的設(shè)計十分重要，氣瓶的失效大多數(shù)是在氣瓶封頭及接口等薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生。封頭設(shè)計時根據(jù)封頭是單極孔或者雙極孔、兩端極孔的開口尺寸、纖維纏繞的線形以及疲勞壽命的要求來共同確定。

封頭結(jié)構(gòu)有橢球面纏繞封頭、等張力封頭、平面纏繞封頭等。等張力封頭在均勻內(nèi)壓下封頭各點纖維應(yīng)力都相等，且等于筒身螺旋纏繞纖維應(yīng)力，纖維強度可以得到最充分的利用，所以氙氣瓶在設(shè)計中內(nèi)襯兩端封頭均采用等張力封頭結(jié)構(gòu)。

封頭曲面對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)母線由等張力曲線方程(1)給出，其中r為徑向坐標，x0為內(nèi)襯極孔直徑與緯度圓直徑的比值。

(1)

Rθmax=R/sin2α0

(2)

sinα0=r0/R

(3)

3.3 氣瓶復(fù)合層設(shè)計

3.3.1 復(fù)合層材料選擇

纖維是復(fù)合材料的主要承載部分，承擔絕大部分的壓力載荷。對增強纖維材料的要求是[2]:

(1)高強度和高模量,低密度；強度越高表明纖維承受載荷能力越強，就越能發(fā)揮增強作用；而高模量是保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性必須的。密度越低，復(fù)合產(chǎn)品質(zhì)量輕；

(2)樹脂浸潤性好；

(3)具有良好的纏繞工藝性,纖維束松緊均勻等。

通常采用的增強材料有玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維等，可根據(jù)氣瓶性能、使用環(huán)境等進行選擇[3]，由于碳纖維抗拉強度高，對氣瓶的減重效果明顯，并且碳纖維在15年～20年的時間內(nèi)性能下降較小，同時碳纖維受空間輻照的影響較小，根據(jù)國外文獻調(diào)研，在工作壽命末期，碳纖維的承載能力下降不會超過10%，因此，本次氣瓶研制纖維選用碳纖維T1000，具體參數(shù)見表2。

表2 復(fù)合材料高壓氣瓶碳纖維材料參數(shù)

復(fù)合材料的主要力學性能取決于纖維材料，但對于某些性能，如剪切性能、老化性能和熱性能等，基體材料起主要作用，基體材料起粘結(jié)纖維的作用,以剪切力的形式向纖維傳遞載荷,并保護纖維免受外界環(huán)境的損傷。基體材料應(yīng)和纖維具有較好的相容性，并具有良好的抗氧化、耐老化性能。同時，基體材料決定復(fù)合材料成型的工藝方法及工藝參數(shù)的選擇，保護纖維免受各種損傷。在航天復(fù)合材料氣瓶研制中，基體材料通常選用環(huán)氧樹脂。

3.3.2 復(fù)合層設(shè)計

氣瓶復(fù)合層設(shè)計包括復(fù)合層強度設(shè)計、纏繞線形和鋪層順序的確定。纖維的纏繞線型包括環(huán)向纏繞、螺旋纏繞、平面纏繞等幾種方式。其中圓柱段有環(huán)向纏繞、螺旋纏繞和縱向纏繞3種方式，由此可構(gòu)成4種主要的組合線型：①單螺旋纏繞；②螺旋纏繞加環(huán)向纏繞；③螺旋纏繞加平面纏繞；④環(huán)向纏繞加平面纏繞。封頭纏繞既可采取螺旋纏繞，也可采用平面纏繞，具體采取何種線型取決于內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)形式，如封頭形狀、極孔尺寸、內(nèi)襯長徑比等。圓柱形氣瓶的纖維纏繞層,一般采用螺旋或平面加環(huán)向的雙軸纏繞方法。通過合理選擇縱向、環(huán)向纖維纏繞層的厚度和縱向纖維纏繞角,可以減小氣瓶的質(zhì)量,使殼體承受較大的內(nèi)壓載荷,產(chǎn)生較小的變形，提高氣瓶的性能。

由網(wǎng)絡(luò)理論，氣瓶在內(nèi)壓作用下縱向和環(huán)向纏繞圓筒的平衡平衡方程為：

(4)

σαhαsin2α+σθhθ=Rp

(5)

式中，σα、σθ分別為圓筒縱向和環(huán)向纖維層應(yīng)力；hα、hθ分別為圓筒縱向和環(huán)向纖維層厚度；α為縱向纏繞角；R為圓筒半徑；p為內(nèi)壓強。

纏繞角α的大小取決于內(nèi)襯極孔直徑與維度圓直徑的比值，即纏繞角α=arcsin(d0/D)，其中d0為內(nèi)襯極孔直徑，D為維度圓直徑。

根據(jù)氣瓶的形狀(外徑、封頭形式等)及性能(壓力、疲勞次數(shù)等)要求，氙氣瓶復(fù)合層設(shè)計結(jié)果如表3所示。

表3 復(fù)合層設(shè)計結(jié)果

纏繞時采用濕法纏繞成型方式，縱向纏繞時采用變角度、極孔包絡(luò)圈逐漸擴大的纏繞方式，避免纖維在封頭部位架空和過度堆積，為了避免外層纖維的張力作用使內(nèi)層出現(xiàn)松弛，纏繞時纏繞張力逐漸遞減[4]。

4 試驗驗證

氣瓶制造完成后對其性能進行了試驗驗證，主要包括壓力試驗，環(huán)境試驗等。氣瓶照片如圖2所示。

(1)壓力試驗 壓力試驗驗證系統(tǒng)滿足壓力、泄漏等性能要求的能力,驗證壓力為最大工作壓力的1.5倍,保持時間10min,然后卸壓。壓力循環(huán)為產(chǎn)品從0MPa加壓到試驗壓力(通常為最大工作壓力)然后再卸壓到0MPa為一次完整的試驗，試驗次數(shù)為100次。壓力循環(huán)后如果氣瓶不爆破,則繼續(xù)加壓直至爆破。壓力試驗時產(chǎn)品不得有泄漏和明顯的變形，加壓時速度要緩慢以消除動力應(yīng)力，卸壓時要求氣瓶不得結(jié)霜。

圖2 氣瓶照片

(2)環(huán)境試驗 環(huán)境試驗包括熱環(huán)境試驗和力學環(huán)境試驗。驗證氣瓶在試驗環(huán)境(如溫度、濕度、振動、沖擊、加速度等) 后,能夠滿足任務(wù)要求的強度和剛度要求。

5 結(jié)束語

隨著電推進技術(shù)的發(fā)展，對氙氣的需求量越來

越大，氙氣瓶的容積也將隨之擴大，工作壽命進一步延長，同時纖維性能的衰退，空間輻照對氙氣瓶的影響也將加大，這些因素都將對氙氣瓶設(shè)計造成很大的困難，本文以某氙氣瓶為例，設(shè)計了一種復(fù)合材料氙氣瓶，為后續(xù)較大容積氙氣瓶設(shè)計提供一定的借鑒作用。

[1] 晏飛，趙和明.纖維纏繞金屬內(nèi)襯壓力容器的設(shè)計和分析技術(shù)[J].上海航天，2004(4):54-59.

[2] 張?zhí)炱?空間應(yīng)用復(fù)合材料壓力容器研制技術(shù)[J].上海航天，2002(1):54-62.

[3] 林再文，李濤，孫浩偉，等.幾種纖維復(fù)合材料壓力容器的性能對比研究[J].纖維復(fù)合材料，2005，22(1):21-22.

[4] 魏喜龍，馬國峰，蘇峰，等.纖維纏繞壓力容器最佳預(yù)應(yīng)力與纏繞張力關(guān)系研究[J].纖維復(fù)合材料，2011,28(3):22-25.

The Techniques to Develop the Composite Xenon Vessel

WANG Xianglong, CHENG Bin, LIU Zhidong

(Lanzhou Institute of Physics, Lanzhou Gansu 730000, China )

At present. The electric propulsion technology of our country have been made great progress in the field of aerospace, and has broad application prospects. As electric propulsion technology a key products, the xenon vessel for electric propulsion technology to store and provide the fuel, Besides the required space vessel’s light weight, high strength and stress leak before burst mode, the xenon vessel has high reliability and long life characteristics. This paper describes the development techniques of composite pressure vessel from the performance, design and test. The material selection requirement of metal liner, composite for vessel was proposed. Design the structure of the liner, composite and test of xenon vessel.

electric propulsion; xenon vessel; filament winding; metal liner; structure design

2014-10-15)

王祥龍(1976-)，男，甘肅人，工學碩士，工程師。主要研究方向：航天壓力容器設(shè)計與分析。E-mail：wxlwxl818@163.com.