无内衬全复合材料球形低温储罐设计：航天推进剂储存新突破

航天发射器需要大量燃料及储存空间。氧气、氢气、氮气等典型火箭推进剂虽可在常温下以气态储存，但气体密度较低，储存足量推进剂需要极大储罐，会增加飞行器重量并限制有效载荷。因此，理想方案是将推进剂以液态高密度储存，从而使用更小、更少的储罐，但许多常用推进剂必须冷却至超低温（即低温，通常指-150°C / -238°F以下）才能呈液态。

为此，Infinite Composites Technologies（ICT，美国俄克拉荷马州塔尔萨）于2020年4月宣布开发出球形、无内衬、全复合材料低温储罐——一种用于火箭动力航天发射器低温推进剂储存的压力容器。

无内衬（V型）压力容器：长久追求的目标

无内衬（即V型）压力容器一直是碳纤维复合材料高压储罐设计的圣杯。传统I至IV型压力容器均含一定比例金属，至少作为储存介质与复合材料外壳间的衬里（IV型）。彻底消除金属部件可大幅减轻罐体重量，对航天器燃料储罐而言，意味着降低发射成本或增加有效载荷。

然而，全复合材料设计用于液氮、液氧等低温燃料时，易面临层压板微观开裂这一难题。复合层压板经历极端低温循环时，各层热膨胀系数（CTE）差异会导致开裂渗漏。许多树脂体系在低温下也会变脆，加剧问题。据ICT首席执行官Matt Villarreal介绍，ICT开发的无内衬低温储罐解决了微观开裂问题。

Villarreal指出，全复合材料低温储罐——尤其是球形罐（因占地面积小）——被视为长期太空探索和生存的关键使能技术。虽多家航天机构（如NASA）研发的月球着陆器采用球形罐设计，但至今球形罐均为较重、燃效较低的金属球体或金属内衬复合材料缠绕压力容器（COPV）。ICT的全复合材料罐体“CryoSphere”提供了更轻、更省燃料的燃料储存方案。

从赛车到火箭

涉足低温储罐前，Villarreal和合伙人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）读书时便开始从事复合材料压力容器设计。2008年，他们加入校内Formula SAE车队，设计四分之一比例F1赛车参加国际大学生工程设计竞赛。为争取当地天然气公司赞助，两人协助将赛车改装为压缩天然气（CNG）驱动，却发现全金属CNG储罐过重，严重影响燃油效率，导致24小时耐久赛中需多次加油。

“赛后我们调研发现，罐体重量是众多行业的共性痛点，是清洁能源交通和太空探索的关键使能技术。”Villarreal回忆道。

研究轻量化CNG储罐技术时，两人开始构思业界称为“压力容器圣杯”的V型无内衬复合储罐概念。2008年底，两人创立CleanNG LLC，最初开发天然气高压储罐。自2013年起，公司圆柱形全碳纤维复合材料infiniteCPV压力容器用于地面及工业领域，储存压缩天然气，后扩展至压缩氪气、氮气、氦气等。

随着压力容器设计深入，制造航天器的企业纷纷找上门，提供研发资金开发航天器用罐体。“不久后，航天领域的商业案例更具吸引力。”Villarreal表示。

2016年，公司更名为Infinite Composites Technologies，此后聚焦商业航天项目，虽也涉足国防应用（如火箭发动机壳体、军用飞机和无人机）。圆柱形infiniteCPV罐体设计已集成至多款预计2020年首飞的火箭发射器。CryoSphere本质上是infiniteCPV罐体的进化版。

CryoSphere开发历程

随着ICT重心转向航天器需求，Villarreal意识到：“真正挑战在于制造复合材料低温储罐。”低温储罐须耐受高压及极低温（如液氮、液氧、液氮等燃料/氧化剂需-200°F以下储存）。

公司向俄克拉荷马州申请资助，2013年获俄克拉荷马科技促进中心（OCAST）三年30万美元拨款，用于低温储罐概念的材料表征和材料级测试。“项目中等成功，找到一些优质候选材料，表明可推进概念并申请更多项目。”Villarreal评价。

2018年，ICT向NASA约翰逊航天中心（美国德克萨斯州休斯顿）推介低温储罐概念，后启动快速开发项目，为月球着陆器演示器开发复合低温储罐——类似NASA早期“Morpheus”垂直起降（VTVL）测试器。性能要求包括：承受10次液氮（LN2）循环，压力100 psi，温降至-290°F再回常温；循环间30分钟氦气检查压降不超10 psi；循环后耐受1000 psi（±100 psi）低温爆破测试。

首轮圆柱形低温储罐测试部分成功，仅存活5次低温循环。“我们加速项目，约八周彻底重新设计。”Villarreal承认，“疯狂冲刺，罐体虽经受几次热循环，随即开始泄漏。”问题在于层压板微观开裂。团队完成测试后“回到绘图板前”。

“核心技术在材料上。”ICT工程经理Efren Luevano强调。CryoSphere采用东丽（日本东京）T800碳纤维和环氧树脂，经丝绕成型，室温固化，在ICT塔尔萨工厂工业烘箱（非高压釜）后固化。

为解决微观开裂，ICT在专有化学增韧环氧树脂基体中迭代测试多种添加剂及浓度。最终发现两种添加剂的组合可使设计满足热性能要求，其中之一是石墨烯。

“此处我们将石墨烯作为纳米级力学增强。”Villarreal解释，Applied Graphene Materials（英国克利夫兰）供应的石墨烯片层横跨纤维间隙，阻碍层压板裂纹形成，并增强层间结合强度。

“目标是让纤维在加压和载荷下保持原位。”Villarreal续述，低温下树脂变脆断裂，压力使纤维滑动破坏化学键。石墨烯片层作为层间力学增强，降低位移和断裂风险。

另一专有添加剂使层压板在低温下更具延展性，并赋予更好绝缘性。除微观开裂，“绝缘也是低温储罐挑战之一。”测试中，掺石墨烯增强树脂的新款CryoSphere装液氮后近一小时才“显现外部冷迹象”。而前代罐体灌装液氮后10分钟外表面即结霜。

球形设计的挑战与优势

Luevano补充，球形设计本身也是挑战。Villarreal指出，球形利于紧凑尺寸要求（如月球着陆器）的装载效率。但制造时球面比圆柱面更易发生纤维滑移，源于所需缠绕角度及芯模表面处理摩擦力不足，导致湿法浸渍纤维难以定位铺设。此外，团队使用的铺层设计软件针对圆柱体优化，无法按常规流程生成球体可行铺层模式，“不得不想变通办法。”

球形设计意外缓解了微观开裂问题。早期迭代发现罐体顶底温差约150°F，因注液氮过程耗时一小时，底部液氮-290°F，上部气态氮仅-140°F。“层压板内这种剧烈温度梯度会导致断裂，因各部分膨胀收缩速率不同。”Villarreal解释。较小球形几何减小了顶底温差，降低温度差异。

设计优化后，ICT于2019年底与NASA肯尼迪航天中心（美国佛罗里达州卡纳维拉尔角）签约，交付两个半尺寸球形低温储罐（对标Morpheus着陆器圆柱罐）。“我们的CryoSphere完成全部热循环测试，循环间氦气检查确认无微裂纹生成。”Villarreal自豪道，“据我们所知，另有三家竞标供应商，但我们测试完成时，对手连首件原型都未造出。”

迈向飞行认证

测试持续进行。ICT还获NASA MISSE项目资助，将材料送国际空间站（ISS）实验。为此ICT制造直径2.5英寸球体——主要用于测试，Villarreal补充亦可用于机器人气动系统。“酷似微型手榴弹。”2020年2月，ICT向NASA兰利研究中心（美国弗吉尼亚州汉普顿）交付5个CryoSphere。MISSE发射原定2020年8月，推迟至11月。抵达ISS后，球体将置于站外，搭载辐射传感器接受约6个月太空辐射和热环境考验，测试材料耐久性。主要关注树脂化学键受辐射影响情况。

后续步骤是飞行认证。Villarreal称，ICT已按美国航空航天学会（AIAA）S-081B标准定制版完成约半数认证测试，预计2020年第三季度前完成剩余测试。

公司还计划将罐径扩大至48英寸（NASA商业月球着陆器规格），并寻求合作伙伴将CryoSphere送上月球。

“我们团队正拓展全复合材料储罐的极限。”Villarreal总结，“这项技术有潜力彻底改变太空探索和可持续交通。”