一种超轻复合层超低温贮箱及其制造方法与流程

本发明属于航空航天制造，尤其涉及一种超轻复合层超低温贮箱及其制造方法。

背景技术：

1、航天运载器作为能够将人造卫星、空间站、飞船等太空装置送入宇宙空间的重要飞行载具，是一个国家航天科技水平的重要标志。未来航天器及运载火箭的发展趋势是具备高运载能力，同时最大程度降低其制造成本，例如低成本航天器(elv)、可重复使用飞行器(rlv)、单级入轨(ssto)等航天器，这就需要将航天器的发射总重量(glog)降到最低。美国航空航天局(nasa)通过研究发现，只有将净重与发射总重量的比值控制在0.092以内，才能实现航天器可重复使用的目标。为了实现高运载力、低成本航天器的发展，首先必须解决的就是飞行器整体重量过大的问题。推进剂贮箱作为运载火箭的主要组成部分之一，占据了很大的空间，是主要的减重部件。

2、目前，世界上主流的航空运载器均尝试使用复合材料来降低整机的重量以及生产成本，部分发达国家已成功将其应用在航天飞行器低温贮箱的制造之中。我国在低温复合材料贮箱领域的研究起步较晚，目前还处于研究的初级阶段，全复合材料贮箱还未能实现工程化应用。在全面了解国内外制造工艺、技术及存在问题的基础上，大幅提升航天低温复合材料贮箱的自主研发能力，制造国产低温全复合材料贮箱，对我国新一代运载火箭及飞行器的研发具有重要的战略意义。

3、在典型的运载火箭推进系统中，液氢燃料贮箱及配套管路工作于-253℃条件下，液氧燃料贮箱及配套管路工作于-183℃条件下。除此之外，为了保证运载火箭的整体稳定性，同时维持低温燃料的液体状态，贮箱内一般存在0.2～1mpa的压力。针对上述复杂的工作环境，复合材料贮箱不仅需要承受冷热交变循环应力以及贮箱内外的巨大压差，还需要保证在整个运行过程中贮箱的密封性能。因此，低温下复合材料的性能、渗透性以及液氧相容性对贮箱的整体性能起着至关重要的作用。金属内衬是解决该类问题的关键，早在1969年，我国就开展了有关复合材料贮箱的研究，类似于国外早期的含有内衬的复合材料贮箱制造工艺，采用不锈钢为内衬，壳体使用玻璃纤维/环氧树脂复合材料，但之后在该领域无实质性的技术突破。直到2002年，开始探究聚合物基复合材料与液氧相容性的问题，并研发制造了我国第一个h2o2复合材料贮箱。众多国内高校、研究院所都在进行有关复合材料低温贮箱的关键性技术研究工作，力争早日实现复合材料贮箱的工程化应用。但是目前金属内衬轻量化贮箱的热应力循环仍然无法解决内衬与外层的结合难题，导致多次重复使用时界面分层而破坏。

4、考虑到这些难点，非常需要对新一代运载火箭和飞行器有限空间内将结构设计与制造进行极限式创新，特别是贮箱外层(150℃)与内部低温(-253℃)的循环温差服役状态要求。超轻复合层超低温贮箱由铝合金复合层夹层的内外层缠绕碳纤维复合材料，实现贮箱的轻量化、保温和防渗漏的整体结构设计和制造。

技术实现思路

1、本技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种超轻复合层超低温贮箱及其制造方法，满足贮箱外层(150℃)与内部低温(-253℃)的循环温差服役状态要求，实现贮箱的轻量化、保温和防渗漏。

2、本技术提供的技术方案如下：

3、第一方面，提供了一种超轻复合层超低温贮箱，包括从内到外依次设置的碳纤维缠绕内层、中间层、碳纤维缠绕外壳，碳纤维缠绕内层和碳纤维缠绕外壳的材质均为液氧相容树脂体系碳纤维复合层，中间层材质为与液氧或液氢具有相容性的金属。

4、所述碳纤维缠绕外壳和碳纤维缠绕内层的碳纤维缠绕角度均为45度至90度。

5、所述碳纤维缠绕内层和外壳之间的碳纤维缠绕角度为35度至60度。

6、所述碳纤维缠绕外壳和碳纤维缠绕内层的碳纤维缠绕角度不相同。

7、所述碳纤维缠绕外壳的厚度为0.5mm至20mm，中间层的厚度为0.05mm至0.7mm，中间层的厚度为0.05mm至0.7mm。

8、所述中间层材质为铝合金、或钛合金。

9、所述碳纤维缠绕外壳的外部还设置有外部隔热层；外部隔热层的材质为隔热瓦、或气凝胶。

10、第二方面，提供了一种超轻复合层超低温贮箱的制造方法，包括：

11、s1:采用预浸后的碳纤维线制作碳纤维缠绕内层，预浸后的碳纤维线为经过液氧相容树脂体系预浸，或者为经过液氧相容树脂体系和低温胶预浸；

12、s2:在碳纤维缠绕内层外涂覆低温胶，然后进行金属箔材的缠绕，然后再涂覆低温胶，依次进行，在碳纤维缠绕内层外侧制得中间层；

13、s3:在中间层外部采用预浸后的碳纤维线缠绕，在中间层外制得碳纤维缠绕外壳，获得半成品箱体，预浸后的碳纤维线为经过液氧相容树脂体系预浸，或者为经过液氧相容树脂体系和低温胶预浸；

14、s4:将半成品箱体固化，获得固化后的箱体；

15、s5:在固化后的箱体的外层涂覆热防护和隔热材料，获得外部隔热层；

16、获得上述任一所述的一种超轻复合层超低温贮箱。

17、所述步骤s2和s3在，目标循环温度下进行缠绕，工况使用温度范围1/2位置的温度作为目标循环温度。

18、所述步骤s4中，固化的温度和时间分别为60-250度和5-20分钟。

19、综上所述，本技术至少包括以下有益技术效果：

20、该结构形式简单，易于加工，通过不同缠绕方式形成复杂轮廓的超轻超低温贮箱，相比于单层金属内衬，有效地规避了常规两层结构中金属内衬和缠绕层的热膨胀系数不同带来的界面热应力，降低了对界面粘接低温胶的要求，解决了由于低温金属收缩产生的内衬与碳纤维复合材料层分离的技术难题。

21、这种超轻复合层航天超低温贮箱及其制造方法专利是一种全新的创新性设计，具有诸多优势，与现有技术相比具有非常重要的有益效果。

22、首先，在重量优势方面，这种超轻复合层航天超低温贮箱采用了复合材料的制造工艺，该工艺具有超轻的特点，因此相对于传统的航天超低温贮箱，它的重量轻了很多。这样可以在发射升空的时候，减少贮箱的整体重量，从而降低火箭的负担，减少发射成本。

23、其次，在防渗漏方面，这种超轻复合层航天超低温贮箱还具备非常出色的防渗漏性能。传统的航天超低温贮箱一旦泄露，可能会对贮藏物品造成很大的损失和影响。但是这种新型贮箱采用了本专利的制造工艺，内外层之间通过紧密联系的复合工艺达到了无缝连接的效果，中间层紧紧约束在内外层碳纤维中间，在高低温循环时会随着内外层碳纤维一起膨胀和收缩，没有多余的变形空间，大大减少了泄露的可能性，保证了超低温熔液在运输或者长时间使用过程中的安全性。

24、最后，这种新型航天超低温贮箱的温度控制体系具有非常出色的超低温效果。贮箱的隔热层具有极佳的保温性能，可以保证里面的温度在一定时间内能够被稳定地维持在超低温度范围内，甚至可以达到-200℃的极低温度。这种温度控制效果非常出色，并且可以在不同的物品贮藏情况下进行灵活调节，最大限度地保障了贮箱的内部压力。

25、总的来说，这种超轻复合层航天超低温贮箱及其制造方法专利，具有非常突出的优势和有益效果。它的重量优势、防渗漏、超低温等方面的优势，使得它可以被更广泛地应用于未来的各种可重复使用的航天任务中，从而使得航天飞船更加安全可靠，为探索更未知的宇宙空间提供重要的支撑。