IT之家1月24日消息 中国运载火箭技术研究院宣布，1 月 22 日，我国首个 3.35 米直径复合材料贮箱原理样机在火箭院诞生。该贮箱主要应用在液氧环境下，相比金属贮箱可减重 30%，强度更高，能够大幅提高火箭的结构效率和运载能力，是一种新型轻质贮箱。

复合材料贮箱原理样机的诞生，标志着我国打破国外垄断，成为全球少数几个具备复合材料贮箱设计制造能力的国家。

▲图13.35 米直径复合材料贮箱原理样机

据介绍，该项目是由火箭院总体设计部抓总，航天材料及工艺研究所与国内多个高校共同参与的典型 “产、学、研”联合攻关项目，研究团队历时两年多，攻克了十大关键技术。

复合材料液氧贮箱结构设计技术

低温复合材料细观损伤力学分析技术

多尺度复合材料渗漏抑制技术

低温液氧相容树脂体系制备技术

分瓣式可拆卸复合材料工装设计制造技术

复合材料工装精确装配技术

高精度自动铺放技术

超薄预浸料制备技术

复合材料法兰密封技术

复合材料可靠粘接密封技术

▲图2用于拆装复合材料组合式工装的型架

相比于金属贮箱减重 30%

贮箱作为火箭结构重量占比最大的部段，其减重对火箭运载能力的提升具有重大意义。

材料小知识

复合材料的密度为 1.7g/cm 左右，铝合金密度为 2.8g/cm ，铝锂合金密度为 2.7g/cm ，复合材料的比强度是铝合金的 8 倍，是铝锂合金的 6 倍。

IT之家获悉，在航天领域，我国现役火箭的部分部段就大量采用复合材料，减轻了结构重量。

复合材料与当前火箭贮箱结构采用的金属材料相比，具有密度更小、比强度更高、抗疲劳强度更好等优势。相比于金属贮箱，复合材料贮箱可以减重 30% 左右，可大幅降低结构重量，提升火箭运载能力。因此，发展复合材料贮箱是实现火箭减重目的的关键技术之一，也是国际航天大国争相探索的新领域。

3.35 米直径复合材料贮箱原理样机的成功研制，标志着我国掌握了从复合材料贮箱结构设计、材料制备到成形制造的全链路技术流程，成为全球少数几个具备复合材料贮箱设计制造能力的国家。

与应用于液氢液氧环境下的金属贮箱相比，复合材料贮箱主要应用在特定的液氧环境下，可以用在火箭末级。据资料显示，火箭末级贮箱每减重 1 公斤，意味着运载能力提升 1 公斤。而且复合材料贮箱具有生产工序少、周期短等优势。从国外的研究成果来看，相比于金属贮箱，采用复合材料贮箱可降低火箭综合成本 25%。

未来，复合材料贮箱在火箭末级推广应用，将能大幅提升火箭的运载能力，对探索降低火箭成本具有深远影响。

低温复合材料贮箱

一、概述

运载火箭低温推进剂贮箱是运载火箭发动机系统的核心，也是发动机的能量来源。复合材料以其轻质高强的优势渐渐被应用于运载火箭的低温推进剂贮箱结构。复合材料低温推进剂贮箱能使可重复使用飞行器性能提高，降低发射成本，可以比铝合金贮箱质量减轻20%-40%，满足未来飞行器净起飞重量最小的要求。设计、开发和研制低温复合材料贮箱已成为进行下一代空间探索飞行器研究的关键一步。鉴于低温复合材料贮箱工作环境的恶劣性，必须对其进行安全、高效、长寿命的设计。

▲图3美国DC-XA计划中的航天器液氢贮箱及内部贮箱

然而，在液体燃料运载器的设计中，液氧燃料贮箱工作环境为-183℃，复合材料贮箱必须满足上述低温条件，而且当可重复使用运载器返回时，复合材料贮箱及供给管系统要承受170℃的高温，温度变化很大（这就是所谓的“热震循环”），在设计时必须全面考虑在此较大的温度范围内复合材料贮箱的应用可靠性。用于低温推进系统的复合材料层合板需要承载很高的热应力和热应变，同时也要承载作用于贮箱的压力及外载荷引起的机械应力与机械应变，在多次工作的循环中材料要承受机械应力与热应力的共同作用。因此对可重复使用飞行器低温复合材料贮箱结构安全、高效、长寿命设计中所面临的基础力学问题进行系统、深入的研究是很有必要的。

除了考虑温度变化的影响，低温复合材料贮箱还要满足复合材料液氧化学相容性的要求。相比金属材料，树脂基复合材料具有更强的抗氧化能力，但燃点、闪点、热分解温度等性能均低于金属，相关研究表明，复合材料只要选用合适的树脂体系，还是可以满足液氧相容性要求的。液氧相容性试验包括在液氧中机械冲击、气态氧中机械冲击、高速颗粒冲击、摩擦及烟火冲击等。

▲图4LM公司的复合材料液氧贮箱外观及液氧加注测试

二、国内外关于低温复合材料贮箱研制的进展

不同于传统铝合金焊接装配贮箱设计，复合材料贮箱设计重点是在分析其全寿命周期载荷工况下复合材料基体微裂纹萌生和损伤扩展的基础上，通过有效的设计手段防止其所盛装的低温推进剂的泄漏。

国外很多学者多从宏观尺度上进行低温复合材料贮箱渐进失效分析，国内学者多从细观尺度上进行分析，在分析过程中很多都考虑拉伸载荷作用下复合材料渐进失效的过程，虽然考虑复合材料失效形式比较全面，但是分析复合材料失效的失效准则并不统一。可见当前对复合材料的非线性力学行为研究还不完备，国内外研究者对复合材料性能和复合材料局部损伤之间的关系研究并不详尽，而且没有考虑载荷对损伤程度和类型的影响，也没有通过载荷来评估复合材料的残余刚度和强度，更为遗憾的是，大部分研究者主要分析在室温条件下的复合材料渐进失效过程。

通过国内外研究现状对比和未来发展需求来看，我国在低温复合材料结构的分析设计方面亟待开展和系统化，应尽快开展相关研究，建立起一套完整的评价低温复合材料贮箱渐进失效模型、多尺度分析模型以及结构设计方法与准则，为我国可重复使用航天飞行器的关键结构低温复合材料贮箱的设计和研制奠定理论基础，为国家深空探测与太空战略提供有力技术支撑。

三、低温复合材料贮箱未来发展趋势

低温推进系统的高推重比以及复合材料贮箱的高效减重特点，决定了低温复合材料贮箱成为未来主要的发展方向。复合材料应用于贮箱的制造需要解决低温疲劳、热震损伤、泄漏、液氧相容性以及先进制造技术等技术难题。这些技术问题涉及到复合材料微观力学、高分子材料、复合材料设计、先进制造技术等多学科，是一项复杂的工程。

从现有研究来看，新材料的发展和应用直接推动着低温贮箱技术的发展。未来低温复合材料贮箱发展会向着大型化、轻量化、多元化发展。随着液氢、液氧贮箱技术的突破，液态甲烷贮箱也将随着甲烷推进系统的发展而得到应用。可以确定的是，一旦低温复合材料贮箱获得应用，将为航天飞行器的未来发展带来深远的影响。

从我国目前复合材料应用成熟程度来看，我国航天运载器要实现低温贮箱的复合材料化，应分两大阶段：

第一阶段：复合材料基础研究向应用研究进行转化。将针对材料本身的研究转化为针对产品需求的研究，此阶段需要解决复合材料贮箱的相关关键技术，此阶段成熟的标志是研制出满足设计要求的复合材料贮箱原理样机并通过试验考核；

第二阶段：复合材料贮箱在型号中的应用，考虑到材料、工艺等基础条件的建设，应采用分步走的方法，初步将此阶段分为三步进行：

第一步，制备小直径含内衬的低温复合材料贮箱，直径在φ1m-φ2m，贮存常规液体推进剂，以目前小型运载火箭贮箱、上面级贮箱等为主要应用背景，运载能力提高5%左右；

第二步，发展大直径无内衬常低温复合材料贮箱，直径在φ3m-φ10m，贮存煤油、液态甲烷、液氧等推进剂为主，以我国目前在研运载火箭以及未来重型运载火箭为应用背景，运载能力提高10%以上；

第三步，发展大直径超低温无内衬复合材料贮箱，以贮存液氢为主，力争实现未来运载火箭所有贮箱的复合材料化，运载能力提高15%以上。

来源：IT之家 企鹅号,微信公众号 民营经济云平台