
SpaceTank项目的总体目标是开发用于低温压力容器制造和检验所必需的英国研发工具。更具体地说,这个为期一年的项目侧重于为储存低温推进剂的储罐开发一种新的制造解决方案。
航天工业已经认识到复合材料在太空中的关键作用,一些公司也已探索它们在太空舱储罐设计中的应用。例如,Virgin Orbit(美国加利福尼亚州长滩)和RocketLab(新西兰奥克兰)分别开发了作为发射一号和电子火箭金属替代品的复合材料储罐。在澳大利亚,Omni Tanker及其合作伙伴正在寻求开发一种复合材料无衬里液氢罐(LH2)并将其商业化,而在离欧洲本土较近的地方,MT Aerospace(德国奥格斯堡)正在为一种新型火箭燃料罐开发材料和制造方法,并正在进行试验。NCC空间项目预计将使英国成为这一领域的关键参与者。
NCC SpaceTank演示器长750毫米,直径450毫米,液体储存容量超过96升。其设计和制造的标称壁厚为4.0-5.5毫米,使燃料箱能够承受85巴的加压推进剂。碳纤维复合材料主体由8kg的材料质量组成,但根据NCC说法,与所有工程结构一样,SpaceTank还有进一步优化减重的机会。此外,通过使用更高强度的碳纤维和增加复合材料厚度,可以提高NCC SpaceTank的额定压力。或通过使用更薄、刚度更低的复合材料,可以优化SpaceTank的重量和成本,以实现更低的压力应用。
在SpaceTank项目研制期间,NCC团队开发了一种创新方法,将金属流体阀门端口包含在可清洗工具中,从而可消除终产品所需的任何二次组装和粘合操作。这些流体阀端口固定在新型工具中,使其能够在制造过程的后期与碳纤维共同粘合。
储罐主体采用SHD Composites(美国北卡罗来纳州摩尔维尔)提供的MTC510碳纤维环氧树脂预浸料,胶带宽度为300毫米。MTC510是一种环氧树脂系统,专门设计用于在80°C和120°C之间固化,并经过增韧处理来增加其损伤容限。这种材料是由Bindatex(麦克伯顿,英国)为SpaceTank制造工艺制备的。该公司还对胶带进行窄宽度精密切割,并以6.35毫米的格式返回22000米(约72178英尺)材料,按照NCC的要求准备,用于其科里奥利(法国奎文)自动纤维铺放(AFP)制造单元。
使用科里奥利AFP系统的张紧纤维缠绕操作,将狭缝胶带沉积到可清洗工具上。NCC工程师使用Material's Cadwind(比利时布鲁塞尔)纤维缠绕软件设计了螺旋缠绕和环向缠绕的组合,用于将超过24层材料沉积到标称5.5毫米厚度。此处使用的缠绕厚度和方向/角度仅供演示,因为NCC可以增加或减少复合材料壁厚,改变缠绕角度和铺层结构,以充分优化储罐,从而满足特定压力或负载要求。
材料沉积后,立即检查NCCSpaceTank是否存在缺陷和厚度变化。然后在100°C下对其进行高压釜固化,并随后重新检查。固化后使用超声波C扫描和热成像无损检测(NDT)检测技术,并对这些方法进行比较和对比,以确定是否适合检测未来储罐的缺陷,如分层和气孔。后,在完成NDT质量评估后,使用加压冷水冲洗内部工具芯,使内罐腔保持空腔。
据NCC称,无衬里SpaceTank的加工技术很困难,因此NCC与Aero Consultants (英国亨廷顿)合作开发并使用了该公司 Aqua 水溶性芯材的铸造工艺。成品工具具有一个标称壁厚为30毫米的集中式阳芯,分两部分铸造,然后粘合。该工具有三个(可清洗)内部加强环,其设计和制造有助于承受自动复合材料铺层过程中预期的扭转载荷和高压釜固化过程中施加的压力。(参考来源:CW 作者:钱鑫博士)