开发无内衬、全复合材料的球形低温罐

用于太空旅行的运载火箭需要大量燃料和大量燃料储存。典型的火箭推进剂如氧气、氢气和氮气可以在室温下以气体形式储存，但由于气体密度相对较低，因此为太空发射储存足够的气体推进剂将需要非常大的储罐，这会增加航天器的重量并限制其有效载荷能力。然后，这些推进剂理想地以更高的液体密度储存，从而能够使用更小和更少的储罐来储存它们，但许多常见的推进剂必须冷却至超低温（也称为低温，通常指的是温度低于 -150°C 或 -238°F）以液体形式存在。

为此，2020 年 4 月，Infinite Composites Technologies（美国俄克拉荷马州塔尔萨市 ICT）宣布开发球形、无内衬、全复合材料低温罐——一种用于在火箭动力太空运载火箭上储存低温推进剂的压力容器。

无衬里（也称为 V 型）压力容器长期以来一直是设计碳纤维复合材料高压储罐的目标。传统上，I 型到 IV 型压力容器至少包含一定比例的金属，至少作为储存的气体或液体与复合材料外部之间的衬里（IV 型）。取消金属部件可显着减轻油箱的重量，对于航天器的燃料储存箱而言，要么降低发射成本，要么增加有效载荷能力。

然而，液氮或液氧等低温燃料的全复合设计往往会导致层压板出现微裂纹的难以解决的问题。由于复合层压板面临极端温度，例如冷却至低温水平，每层之间的热膨胀系数 (CTE) 差异会导致开裂和泄漏。许多树脂系统在低温下也会变脆，从而加剧了这个问题。据 ICT 首席执行官 Matt Villarreal 称，Infinite Composites Technologies 已开发出一种无衬里低温罐，可消除微裂纹问题。

根据比利亚雷亚尔的说法，全复合材料低温储罐——尤其是球形储罐，由于其占地面积较小——被许多人认为是在太空进行长期探索和生存的关键技术。他说，尽管美国宇航局等航天机构正在开发的许多月球着陆器都采用了球罐设计，但到目前为止，球罐都是较重、燃油效率较低的金属球体或球形金属复合外包裹压力容器 (COPV)。 ICT 的全复合材料油箱称为 CryoSphere，为更轻、更省油的燃料储存选择提供了潜力。

从赛车到火箭

在冷冻罐出现之前，比利亚雷亚尔和商业伙伴迈克尔·泰特 (Michael Tate) 在俄克拉荷马州立大学（美国俄克拉荷马州斯蒂尔沃特）上大学时就开始了复合压力容器设计的职业生涯。 2008 年，他们加入了学校的小型 Formula SAE 团队，该团队正在设计一款四分之一比例的一级方程式赛车，以参加即将举行的 SAE 方程式大学工程和设计竞赛的国际赛事。为了吸引当地天然气公司急需的资金，Villarreal 和 Tate 帮助团队将车辆改装为使用压缩天然气 (CNG)，但发现他们使用的全金属 CNG 储罐太重，以至于影响了汽车的行驶燃油效率提高到他们不得不在比赛的 24 小时耐力试验过程中多次为汽车加油。

“比赛结束后，我们回去做了一些研究，发现油箱质量是许多不同行业的主要问题，并且是清洁能源运输和太空探索的关键技术，”Villarreal 说。

在研究有助于减轻 CNG 储罐的技术的过程中，Villarreal 说，他和 Tate 开始考虑 V 型无内衬复合材料储罐的概念，这种储罐在业内被誉为压力容器的“圣杯”。 2008 年晚些时候，Villarreal 和 Tate 成立了一家名为 CleanNG LLC 的公司，最初开发用于天然气储存的高压罐。自 2013 年以来，该公司的圆柱形、全碳纤维复合材料 infiniteCPV 压力容器已用于地面和工业应用，以储存最初设计的压缩天然气，以及越来越多的压缩氪气、氮气和氦气.

比利亚雷亚尔说，随着公司继续致力于压力容器设计，制造航天器的公司开始向 CleanNG 提供研发资金，以开发用于航天器的坦克版本。 “一段时间后，商业案例对太空更具吸引力，”比利亚雷亚尔说。

2016 年，该公司更名为 Infinite Composites Technologies，在此之后的几年里，ICT 主要专注于商业太空项目，不过 Villarreal 表示，该公司还致力于国防应用，如火箭发动机外壳以及军用飞机和无人驾驶飞机。飞行器。作为这种转变的一部分，圆柱形无限CPV坦克设计已被集成到预计2020年飞行的多款火箭运载火箭中。

比利亚雷亚尔说，CryoSphere 本质上是原始 infiniteCPV 坦克的演变。

开发 CryoSphere

随着 ICT 的重点越来越转向航天器的需求，Villarreal 说：“我们开始看到一种趋势，即真正的挑战是制造复合低温罐。”低温罐或低温罐是专门设计的压力容器，不仅可以承受高压，还可以承受极低温，例如储存液氮、液氧、液态甲烷或其他使用的燃料和氧化剂所需的低于 200°F 的温度为太空运载火箭提供动力。

该公司向俄克拉荷马州申请了资金，并于 2013 年从科学技术促进中心 (OCAST) 获得了为期三年、价值 300,000 美元的赠款，用于低温罐概念的材料表征和材料级测试。 “该项目相当成功，”比利亚雷亚尔说。 “我们找到了一些很好的材料候选人，并且有很好的迹象表明我们可以推进这个概念并开始申请其他东西。”

2018 年，ICT 将其低温罐概念提交给 NASA 的约翰逊航天中心（美国德克萨斯州休斯顿），随后开始了一个用于月球着陆器演示飞行器的复合低温罐的快速开发项目——比利亚雷亚尔说，这种飞行器类似于到 NASA 之前的 Morpheus 垂直起降（VTVL）测试车。储罐的性能要求包括能够在 100 psi 的压力下承受 10 次液氮 (LN2) 循环，包括温度降至 -290°F，然后回到环境温度。此外，在每个 LN2 循环之间的 30 分钟氦气检查期间，储罐的压降不能超过 10 psi，并且它需要承受 1,000 psi (±100 psi) 的循环后低温爆裂。

圆柱形低温罐的第一轮测试取得了部分成功，仅在五个低温循环中幸存下来。 “我们加速了项目，并在大约八周内基本上完成了设计，”Villarreal 说。 “这是一次疯狂的匆忙，”他承认道，“水箱经受住了几次热循环，但随后开始泄漏。”问题是层压板中的微裂纹。比利亚雷亚尔说，该团队完成了测试，然后“回到了绘图板”。

“核心技术在于材料，”ICT 工程经理 Efren Luevano 说。 CryoSphere 由 Toray（日本东京）T800 碳纤维和环氧树脂制成，通过纤维缠绕制造，在室温下固化，然后在 ICT 塔尔萨工厂的工业烤箱（而不是高压釜）中进行后固化。

为了解决微裂纹难题，ICT 开始在专有的化学增韧环氧树脂基质中以不同浓度对多种类型的添加剂进行迭代测试。在此过程中，该团队发现了两种添加剂的组合，当再次测试水箱时，使设计能够满足热要求。其中之一是石墨烯。

“对于这种情况，我们使用石墨烯作为纳米级的机械增强材料，”Villarreal 说。他解释说，由 Applied Graphene Materials（英国克利夫兰）提供的石墨烯薄片会拉伸纤维之间的空间，并为在层压板中形成裂缝创造了障碍。石墨烯还提高了层间键的强度。

比利亚雷亚尔解释说：“您要做的是在对油箱加压并将负载施加到油箱时将纤维保持在适当的位置。”他说，在低温下，树脂变脆并开始断裂——当压力施加到纤维上时，它们开始相互滑动并破坏它们之间的化学键。石墨烯片作为纤维层之间的机械加固，降低了运动和断裂的可能性。

基质中还加入了一种额外的专有添加剂，使层压板在低温下更具延展性，并在层压板中产生更多的绝缘性能。除了微裂纹外，“[绝缘是] 这些低温罐的挑战之一，”比利亚雷亚尔说。在测试中，采用石墨烯增强树脂的新 CryoSphere 设计在液氮中花了将近一个小时“显示出寒冷的外部迹象”。虽然对此没有特别要求，但他补充说，在他们之前用液氮测试过的储罐中，在向储罐注满液氮后 10 分钟内，储罐外表面已结霜。

除了低温兼容性之外，Luevano 补充说，球形设计本身就是一个挑战。根据比利亚雷亚尔的说法，球形的好处在于它可以为具有严格或特定尺寸要求的应用（例如月球着陆器）提供更好的包装效率。然而，一个挑战是与圆柱表面相比，球面在制造过程中滑动的可能性更大，比利亚雷亚尔说这是由于所需的缠绕角度和心轴上的表面光洁度没有产生足够的摩擦来保持湿浸渍纤维就位——这两者都使纤维控制和铺设更加困难。另一个挑战是团队使用的图案设计软件针对圆柱体进行了优化，无法使用正常工作流程为球体生成可行的图案。 “我们必须通过变通办法发挥创意，”他补充道。

比利亚雷亚尔说，球形设计还有助于解决微裂纹问题——这是一个无意的好处。该团队在早期的设计迭代中意识到，由于液氮停留在半部底部的长达一小时的填充过程导致罐底部和罐顶部之间的温差约为 150°F。罐的顶部温度为 -290°F，而填充上半部分的气态氮仅为 -140°F。 “当你在层压板中获得那些非常陡峭的温度梯度时，它会导致断裂，因为一个部件试图以与另一部件不同的速率拉伸，”Villarreal 说。水箱顶部和底部之间的梯度减小了，形状更小，呈球形，有助于减少温度差异。

凭借全新的优化设计，ICT 于 2019 年底与美国宇航局肯尼迪航天中心（美国佛罗里达州卡纳维拉尔角）签署了一项合同，将交付两个球形低温罐进行测试，其尺寸是圆柱形 Morpheus<的一半 /em> 登陆坦克。 “我们的 CryoSpheres 完成了所有的热循环测试，在每个循环之间进行了氦气检查，以确保没有形成微裂缝，”Villarreal 说。 “据我们所知，”他补充道，“还有其他三个供应商在争夺这份合同，但当我们完成测试时，其他供应商都还没有创造出他们的第一个原型。”