碳纖維增強熱塑性復合材料的上級推進劑儲罐

PROCOMP項目采用自動鋪絲、原位固結和超聲波焊接技術制成了一種輕質、新穎的液氫儲罐。

熱塑性復合材料的上級液氫儲罐：通過自動鋪絲、碳纖維/LMPAEK帶材的原位固結以及超聲波焊接組裝，PROCOMP項目制成了一個示范儲罐

商業太空時代已經到來并正在迅猛發展！這種發展得益于美國Spacex公司將發射成本從1970年至2000年的平均每千克18500美元大幅削減至發射獵鷹9號的平均每千克2500美元以及規劃中的重型獵鷹9號的平均每千克1500美元。

除了削減成本，開發運載火箭的另一個關鍵目標是增加有效載荷。與傳統的金屬推進劑儲罐相比，由碳纖維增強聚合物（CFRP）制成的燃料儲罐可以減輕20%～40% 的質量，因此，包括波音在內的多家公司正在開發這種燃料儲罐。波音公司還展示了其技術就緒指數（TRL）為6的全復合材料的低溫推進劑儲罐，該儲罐通過了壓力循環試驗和最大壓力試驗，測試指標達到其設計要求的3.75倍而沒有出現失效跡象。

這種熱固性復合材料的儲罐擁有4.3米的直徑，與美國宇航局太空發射系統（SLS）旨在讓宇航員于2025年登陸月球的火箭上級推進劑儲罐的大小大體相同。德國航空太空中心（DLR）輕量化生產技術（ZLP）部門的空間應用項目經理表示：“減輕火箭的上級推進劑儲罐的質量非常重要。因為每減輕1千克的上級儲罐質量，發射到太空的有效載荷就會增加1千克。發射后，低級的火箭助推器會落回地面，但上一級將完成任務。”

2019～2020年，在PROCOMP項目實施過程中，德國航空太空中心開始推動使用碳纖維來制造“黑色”儲罐，甚至還更進一步。“我們的想法是使用熱塑性的復合材料。”研究人員說道，“因為熱塑性的復合材料在低溫環境中具有延展性，此外還具有其他優勢，比如，在自動化的制造過程中具有原位固結的能力，以及無需緊固件的焊接組裝能力。這樣，就可以實現一種新的兩個組成部分的設計，這種設計能方便你進入儲罐內部進行質保檢測，同時還便于安裝傳感器和推進管理系統。”推進管理系統包括可以防止液態冷凍燃料和縱向葉片晃動的環形艙壁，可引導燃料進入噴嘴，然后送到火箭引擎的下部。德國航空太空中心利用原位固結和自動鋪絲（AFP）技術，采用低熔點的聚芳醚酮（LMPAEK）預浸帶制造了一個小型的示范件，并使用帶狀傳感器和內置的熱成像技術進行了100%的檢測，從而證明了這種設計。

儲罐設計

自2018年以來，德國航空太空中心就一直在研究航天器的低溫液氫儲存技術。“在PROCOMP項目中，我們想要知道的是，將復合材料的液氫儲罐用于阿麗亞娜六型火箭的上級需要做些什么。”研究人員說道，雖然SpaceX已經決定繼續使用金屬儲罐，但歐洲的阿里亞娜六型項目將在2025～2026年測試一種新的火箭上級，它將采用由CFRP制成的液氧和液氫儲罐。

PROCOMP項目團隊從所需的液氫量（大約5t）著手，然后將其縮小到該團隊有能力加工的范圍，結果設計出一個帶有圓頂的長2米、直徑1.3米的圓柱形儲罐。“接下來，我們必須決定在哪里將儲罐一分為二，以便開發我們想要的兩個組成部分的設計。雖然我們有一些不同的概念，但最終決定，將兩個圓頂中的一個焊接到一個整體的部件上，該整體部件包括與儲罐主體共固化的另一個圓頂以及兩端的圍裙。”研究人員介紹說。這些圍裙被用于在由多個組成部分構成的運載火箭內部對儲罐進行定位，這有助于抵御發射過程中的各種負載，以及助力第一階段的分離和隨后的飛行。

“我們從一開始就有很多設計自由度，但最終決定使用現有的模具，以及采用一種可使整體部分的直徑擴展的設計。”德國航空太空中心輕量化生產技術部門工藝與自動化研究工程師解釋道，“這使得獨立的圓頂能夠適配整體部件的內部，可以在安裝好設備后再進行焊接。對我們而言，這種方法在性能、減重和可制造性方面達到了最佳平衡。制造獨立圓頂采用的模具與制造整體部件的模具完全一樣，這使我們省去了額外的模具費用。”

“但是，這種兩部分的設計還需要在整體部件的開放式圍裙部分定義一個凸起的內部，用于在焊接前對圓頂進行定位。”研究人員繼續說道，“焊縫不會很寬，所以我們需要精確定位圓頂。”基于此，該團隊開始使用法國達索系統公司的CATIA V5軟件進行計算機輔助設計（CAD）以及采用美國Ansys公司的軟件進行有限元分析（FEA）。?

設計結果：

1. 與金屬儲罐相比，減重20%～40%；

2. 兩部件設計便于儲罐檢查和設備安裝；

3. 對熱塑性材料的自動鋪絲和焊接，能夠在一體化的結構中內置質保元素。?

為制造這種熱塑性復合材料的上級推進劑儲罐，該團隊開發了一種精益制造工藝。考慮到要在-253℃和5bar的壓力下使用，通過對不同的靜載和屈曲載荷進行建模，該團隊評估了這種儲罐的層壓設計。圓頂和儲罐主體將使用11層單向碳纖維增強的LMPAEK帶材，按照0°（儲罐的縱軸）、±30°、±60°、±45°和90°的角度鋪放，而儲罐的圍裙將增加到16層，即增加鋪放0°和90°的層來抵抗屈曲。每一層的固結厚度是0.14毫米，因此，圓頂和儲罐主體的厚度是1.54毫米，而圍裙的厚度是2.38毫米，因為與圓頂有210毫米重疊的部分增加了0°/90°的鋪層。

自動鋪放和原位固結

“在從有限元/應力分析小組獲得了儲罐的層壓結構設計后，我們必須檢查采用我們的自動鋪絲設備能否制造出這種儲罐。”研究人員說道。所使用的設備是由德國Advanced Fibre Placement Technology公司提供的一個多層鋪帶頭（MTLH），它源自于德國弗勞恩霍夫IPT的一個衍生產品，自2007年開始就專被用于激光輔助的帶纏繞（LATW）。德國航空太空中心使用的這種多層鋪帶頭能夠鋪放3層0.5英寸寬的帶，它被安裝在一臺六軸工業機器人上，可能生產出長4米、直徑3米的旋轉部件。

德國航空太空中心采用一個機器人纏繞系統和鋁模來制造PROCOMP項目的示范儲罐（上），制造從#1圓頂（下）的AFP原位固結開始

“由于AFP鋪帶頭觸及的范圍有限，我們不得不對疊層稍加調整。”研究人員說道，“但這些都是小改動。我們還嘗試過將CF/LMPAEK帶用作第一層，但還是決定采用一種未增強的LMPAEK膜作為粘接層。我們希望有一個可以在未來自動連接的第一層，但在圓頂區域也需要粘接，以便在鋪放過程中控制好帶。”

隨后，完成了第一個圓頂的鋪放和原位固結，然后將它從模具中取出。“接著，我們制造了第二個圓頂和儲罐主體部分。”研究人員說道，“在第二步，我們稍微擴大了直徑，以便能將第一個圓頂放入它的圍裙內部。在此圍裙處進行自動鋪絲以前，我們通過在模具上增加一個鋁帶而達到了這個目的。”

由兩個組成部分焊接而成的儲罐：首先，通過自動鋪絲和疊層固結，脫模后即制成#1圓頂。然后，采用同樣的模具制造整體結構，包括：#2圓頂、儲罐主體和兩個圍裙。脫模后，安裝推進劑管理系統，并在焊接#1圓頂與整體部件的過程中將其用作獨立裝配夾具中的鐵砧

“這還幫助我們構建出一個尖銳的突起，用來頂住第一個圓頂，這樣，我們就能知道它是否處于正確的焊接位置。”研究人員說道，“然后，我們在第二個圓頂上安裝了另一個模具，并利用自動鋪絲來形成第二個圍裙。我們直接將帶材鋪放到之前固結的罐體和第二個圓頂的一部分上。”

處于制造過程中的PROCOMP示范儲罐的整體部分（上）及其帶有的圍裙2（采用自動鋪絲固結制成）和重疊的圓頂2（下）

研究人員表示，這就是熱塑性復合材料原位固結的一大優勢。“你總能向部件上添加一些額外的材料，所以，整體部分包括兩個完整的圍裙、第二個圓頂和儲罐主體。”他說道。

有人認為，自動鋪絲、原位固結是一個緩慢的過程，要想獲得良好的層壓結構，就需要極高品質的帶材。“這些說法是有道理的。但按照我們的觀點，只有當你真正利用了它的優勢時，原位固結才有意義。你必須為適應原位固結而調整你的設計，這需要真正理解細節。如果你只是為一個熱壓罐固化的熱塑性塑料部件或者為一個正常的自動鋪絲熱固性預浸料部件而修改設計，就不會有效果。”

焊接組裝

將儲罐的整體部分從模具中取出后，德國航空太空中心采用其開發的連續超聲波焊接技術，在一個焊接夾具中，將第一個圓頂與完成的儲罐整體部分連接起來。該項目的焊接組裝過程由團隊的焊接專家領導。“首先，我們在第一個圓頂上安裝了推進劑管理系統結構，這包括圓頂底部的圓周輪廓和一系列彎曲的縱向葉片。”研究人員介紹說，“我們用鋁做了這些部件，只是為了驗證這種裝配概念。而對于一個實際的儲罐來說，這些部件可能是復合材料的，而且將非常類似于飛機機身中的縱梁和框架。”

實際的系統部件不是關鍵，而將圓周輪廓用作砧板進行焊接才是關鍵。“我們需要用它來獲得壓固熱塑性復合材料焊縫所需的壓力。”研究人員說道，“我們還使用了一個易于插入和取出的附加金屬結構，只是為了確保有足夠的剛度，因為模具已經不能在此提供穩定性了。然后我們焊接了一個環縫，以將圓頂與整體部分連接起來。”

在PROCOMP項目中使用的焊接系統包括一臺配有超聲波探測器的高精度庫卡機器人手臂。該超聲波探測器能將振動正交導入到復合材料的層壓結構中。“我們直接將超聲變幅桿用在儲罐的外表面上，摩擦熱僅在焊接接觸區產生。”研究人員說道，“我們插入了一個60微米厚的未增強的LMPAEK層作為兩個被焊表面之間的能量指示器。”

通常，在連續的超聲波焊接中使用的能量指示器用于將能量集中在焊縫區域。與增強的焊縫表面相比，純的樹脂增加了來自超聲波的振動阻尼，產生的摩擦熱可以熔化這些表面的基體。焊接速度是20～25毫米/秒，焊接力是400～600牛頓。

“一開始，我們計劃了一個更寬的焊接區。”研究人員說道，“但經過一些計算后，我們認為可以減小它。對于該示范件，我們計劃了兩條15毫米寬的焊縫，但由于模具問題，我們決定只使用一條。”

100%的在線檢測

另一個重要目標是，利用PROCOMP團隊的隊友開發的自動化系統來保證質量。“她將激光線和一個特殊的攝像頭結合在一起，能自動測量被鋪放的帶材的高度剖面。它基本上是一個先進的激光三角測量傳感器。”研究人員解釋道。類似的系統已由奧地利Profactor公司、西班牙Danobat Composites公司和ZAero零缺陷復合材料制造項目的其他合作伙伴開發出來。

“采用該系統，我們可以連續地檢測間隙、重疊和其他缺陷，意味著這些缺陷將被考慮到下一層的應用中，這很重要，因為每一層的間隙和重疊疊加起來就會形成高度偏差，影響層壓結構的性能。因此，我們可以以一種非常精確的方式來檢測這些偏差，但是在每一層之后我們還有一個完整的三維表面。這些都是在原位完成的，意味著這些檢測不需要額外的機器人或時間。”

PROCOMP項目開發了一種在線檢測系統，利用激光線和特殊的攝像頭，在自動鋪絲、原位固結的過程中檢測間隙和重疊

這些數據是必要的，能夠反映“制造出的部件完全符合 CAD 設計且避免了由缺陷導致的強度的明顯降低”。但是，如果在自動鋪絲過程中檢測到間隙和重疊會怎樣呢？“在PROCOMP項目中，我們只是示范性地檢測，而沒有用于調整機器人路徑的程序。”研究人員說道，“但是，如果在多個疊層中有間隙和重疊，最終可能會得到一個擁有永久波狀或變形的層壓結構，因此，找到一種解決方案來管理原位固結層壓結構的這個問題非常重要。”

“當出現間隙和重疊時，潛在的適應能力是存在的，但你必須格外小心。”研究人員說道，“比如，對于儲罐來說，這樣做對于避免最終結構出現泄漏可能是有意義的。但是，如果你調整了機器人的路徑，也就調整了纖維角度，所以，你需要分析隨纖維角度而變化的間隙或重疊將如何影響最終儲罐的性能。”

檢測系統的第二部分是利用紅外線（IR）攝像頭的內置熱成像。“此概念是檢測自動鋪絲過程中的固結問題。”研究人員介紹說，“我們將攝像頭放在自動鋪絲頭上緊靠壓實輥的地方，這樣就能在壓實后測量帶材的溫度。夾雜在剛鋪好的帶與下面層壓板之間的任何空氣都起到絕緣體的作用。然后，我們會在原位比較冷卻速率，以確定潛在的缺陷。我們有了很好的結果，比如，我的同事用Kapton聚酰胺薄膜模擬了顯而易見的錯誤，然后他們開發了一種算法，可以跟蹤紅外攝像頭的像素，然后輸出溫度梯度，這樣就可以觀察并判斷它是否在正常的層壓行為范圍內，或者是否有問題。”

內置的熱成像系統在自動鋪絲過程中檢測固結缺陷

所有的檢測數據與來自自動鋪絲頭、機器人和采用集成數據管理系統的加熱源的控制器的數據一起被儲存起來。研究人員表示，這是可用的開源軟件，所有被收集的數據自動使用上下元數據進行注釋，以便利用捕獲時間、自動鋪絲層、路線編號以及部件上的空間位置，輕松選擇感興趣的區域。一個看板也被開發出來，用以實時監控過程，通過趨勢分析識別出現的問題，包括能夠評估部件質量以及分析工藝數據的相關性。

未來發展：液氫飛機?

PROCOMP團隊認為，該項目完成的示范儲罐是成功的。“從計算載荷到設計儲罐、編程自動鋪絲工藝、焊接兩個組成部分直到將推進管理系統集成到儲罐內部，我們證明了我們的制造工藝是極其可靠的。所以，我們取得了很大的成功。對于PROCOMP項目無法解決的問題，我們已經開始在另一個項目中展開研究。”

另一個有趣的方面是，在該項目執行的過程中，出現了在飛機上儲存氫氣的研究浪潮。波音公司正在尋求將其熱固性復合材料的低溫儲罐推廣應用到零排放的飛機液氫儲存領域，而空客已經宣布，其第一架此類飛機將于2035年投入使用，為此，該公司的多個開發中心將分別于2023 年和2026年對液氫儲罐進行地面測試和飛行測試。

“我認為，我們展示了一些關鍵優勢，這些優勢甚至有利于飛機上的液氫儲罐。”研究人員說道，“這些儲罐很可能不會被整合到飛機的機翼上，至少在經典設計的第一個版本中是這樣。因此，作為額外的結構，這些儲罐必須盡可能得輕。在這類儲罐中使用碳纖維增強塑料可能不會立竿見影, 但從長遠來看，我相信這是唯一的解決方案, 而且熱塑性復合材料確實有可能發揮關鍵作用。”

文章來源：CompositesWorld