NCC 全复合材料 V 型罐确立空间推进轻量化新标杆

英国国家复合材料中心（NCC，布里斯托尔），在航空航天制造商泰雷兹阿莱尼亚航天（法国戛纳）行业指导下，在 SpaceTank 项目中制造出全复合材料无内衬（V 型）罐体示范器。据称该罐具代表发射器与卫星推进剂罐典型特征，与现用常规金属推进剂罐相比预估减重 30%。NCC 通过此展示激发英国对复合材料罐在未来空间推进制造的兴趣。据 NCC 称，该展示项目表明先进复合材料技术可在未来空间推进工程结构中发挥关键作用，通过减轻罐体结构重量降低卫星发射成本（可下载案例研究 PDF）。

SpaceTank 项目总旨在开发英国本土研发工具，用于低温压力容器的制造与检测。更具体地，为期一年的项目聚焦开发用于储存低温推进剂的新制造方案。

航天业认可复合材料在空间应用的关键作用，已有公司探索其在空间罐设计中的应用。例如，Virgin Orbit（美国加州长滩）和 Rocket Lab（新西兰奥克兰）分别为 Launcher One 和 Electron 火箭开发验证了复合材料罐作为金属替代方案。澳大利亚的 Omni Tanker（Smeaton Grange）及合作伙伴寻求开发商业化复合材料无内衬液氢罐（LH₂），欧洲的 MT Aerospace（德国奥格斯堡）正开发材料制造方法并进行新型火箭燃料罐测试。NCC SpaceTank 项目有望提升英国在该领域的关键地位。

NCC 制造的 SpaceTank 示范器长 750 毫米，直径 450 毫米，流体储存容量超 96 升。设计名义壁厚 4.0-5.5 毫米，可承受 85 巴推进剂压力。碳纤维复合材料主体用料 8 公斤，据 NCC 称，作为工程结构仍有进一步优化减重空间。此外，采用更高强度碳纤维和增加复合材料厚度可提高耐压等级；或为低压应用采用更薄、低刚度材料优化重量与成本。

项目中，NCC 团队开发创新方法将金属流体阀门端口集成到可溶解工具上，省去最终产品所需的二次装配粘接操作。这些阀门端口固定在新型工装中，使其在制造后期与碳纤维共同固化。

罐体主体采用 SHD Composites（美国北卡罗来纳州穆尔斯维尔）供应的 MTC510 环氧碳纤维预浸料，带宽 300 毫米。MTC510 为专门设计在 80-120°C 固化、增韧以提高损伤容限的环氧树脂体系。

该材料经 Bindatex（英国博尔顿）按 NCC 要求进行窄带精密分切，以 6.35 毫米宽度制备，共返回约 22,000 米（约 72,178 英尺）材料，供 NCC 的 Coriolis（法国凯文）自动化铺丝（AFP）制造单元使用。

分切带通过 Coriolis AFP 系统的张力缠绕操作沉积在可溶解工装上。NCC 工程师使用 Material 的 Cadwind（比利时布鲁塞尔）缠绕软件设计螺旋与环向缠绕组合，沉积 24 层以上材料至名义 5.5 毫米厚度。厚度与缠绕角度/铺层结构仅为演示；NCC 可根据特定压力或载荷要求调整壁厚、缠绕角和铺层结构以全面优化罐体。

材料沉积后立即对 NCC SpaceTank 进行缺陷与厚度变化检测，随后在 100°C 高压釜固化并复检。采用超声 C 扫描和热成像无损检测（NDT）技术对比评估其对分层、气孔等缺陷的适用性。完成 NDT 质量评估后，用加压冷水冲洗内部工装芯材，留出内部罐腔。

据 NCC 称，无内衬 SpaceTank 的工装技术颇具挑战，促使与 AeroConsultants（英国亨廷登）合作开发铸造工艺，采用其 Aqua 水溶性芯材。成品工装具有名义 30 毫米壁厚的中心公芯，分两部分铸造后粘接。工装内设三个（可溶解）内部加强筋，设计用于承受自动化铺层预期的扭转载荷及高压釜固化时的压力。

NCC 的此次示范为英国未来推进剂罐研发提供研究基础，助力建立英国最先进复合材料罐制造组件设备的新供应链。

该领域未来研究活动也将支持英国提升全球空间经济 5% 的份额。英国政府 2021 年 5 月报告显示，英国空间产业收入从 2016/2017 年的 148 亿英镑增至 2018/2019 年的 164 亿英镑。英国航天局摘要报告还强调，过去两年（2019-2021）英国空间部门创造 3000 多个就业岗位。