除了削减成本，运载火箭的另一个关键目标是增加有效载荷。与传统的金属燃料储罐相比，碳纤维增强聚合物（CFRP）燃料储罐可减轻20-40%的重量。多家公司正在开发此类储罐，包括波音公司，该公司已证实其全复合材料低温推进储罐的技术准备水平（TRL）达到6，通过了压力循环测试和大压力测试，达到其设计要求的3.75倍，而且没有任何故障迹象。
这种热固性复合材料燃料储罐的直径为4.3米，与美国宇航局NASA太空发射系统（SLS）火箭上层的推进剂储罐大小大致相同，该火箭的目标是到2025年将宇航员送上月球，德国航空航天中心（DLR）轻量化生产技术空间相关应用项目经理Lars Brandt介绍，瞄准这种火箭上层是关键，因为在上层燃料储罐中节省的每一公斤都是能送入太空的一公斤有效载荷。
在2019-2020年的PROCOMP项目中，DLR开始进一步推动使用碳纤维制成的“黑色”储罐。“我们的想法是使用热塑性复合材料，”Brandt说，“由于其在低温环境中的延展性，以及其他优点，例如自动化制造过程中的原位固结和无需紧固件的组装焊接。这种方法实现了一种新的两件式设计，可以进入储罐内部以保证质量，并更容易安装填充传感器和推进管理系统等设备。后者包括防止液体低温燃料晃动的圆周舱壁和将燃料引导至喷嘴以输送至下方火箭发动机的纵向叶片。DLR通过制造一个小规模演示器证明了这一设计，该演示器使用低熔点聚芳醚酮（LMPAEK）预浸料带的原位固结自动纤维放置（AFP），并使用磁带轮廓传感器和在线热成像进行100%检测。
PROCOMP项目演示罐在碳纤维/LMPAEK胶带自动光纤放置(AFP)过程中采用原位固结，并使用超声波焊接进行组装
储罐设计
自2018年以来，DLR一直致力于航天器的低温液氢（LH2）储存。Brandt介绍，在PROCOMP中咨询Ariane 6火箭的上部使用的复合材料液氢罐；他指出，尽管SpaceX决定继续使用金属罐，但是欧洲Ariane 6项目在2025-2026年之前将会测试一个新的上层舱，其中包括由CFRP制成的液氧和LH2储罐。
PROCOMP团队从LH2的需求量开始（约5吨）设计，然后将其缩小到已有的工具，从而形成了一个长2米、直径1.3米的圆柱形储罐，其端部为圆顶。接下来必须决定在何处拆分储罐，以开发两部分式设计。团队提出了一些不同的概念，但终只得到了两个圆顶中的一个，然后再将其焊接到一个整体部件上，该部件包括另一个圆顶，该圆顶与主罐体以及两端的裙板共同加固。这些裙座位于多片式运载火箭内的燃料箱，有助于在发射、级分离和后续飞行期间抵抗各种负载。
PROCOMP项目中的热塑性碳纤维复合材料储罐设计
ZLP工艺和自动化研究工程师Dominik Deden解释道：“一开始我们有较高的设计自由度，但我们决定使用现有的工具和设计，在这种设计中，集成部件的直径会有所扩大。这使得独立式圆顶可以安装在集成部件内部，然后在设备安装后进行焊接。对我们来说，这种方法在性能、重量节省和可制造性之间提供了佳平衡。独立式圆顶与集成部件使用相同的工装制造，这意味着我们不需要额外的工装成本。”
“然而，这种两部分式设计还需要在集成部件的开口裙部内部定义一个凸缘，以便在焊接前定位圆顶。焊接线不会很宽，因此我们需要精确定位圆顶”，Deden继续说道。从这一点上，该团队使用来自达索系统的CATIA V5软件和用于有限元分析（FEA）的Ansys进行计算机辅助设计。
通过考虑20开尔文（-253°C）的工作温度和5巴压力的不同静态和屈曲载荷情况，对储罐的层压板设计进行了评估。圆顶和主罐体将使用11层单向（UD）碳纤维增强（CF）LMPAEK胶带，应用于0°（罐体纵轴）、±30°、±60°、±45°和90°，而罐体裙板将增加至16层，并增加0°和90度层以防屈曲。每个层的合并厚度为0.14毫米，圆顶和罐体的厚度为1.54毫米，裙部的厚度为2.38毫米，因为在额外的0°/90°层中，与圆顶有210毫米的重叠。
自动铺层和原位固结
在收到FEA/应力小组的储罐层压设计后，必须检查是否有可能使用AFP设备制造储罐。使用的设备是Advanced Fibre Placement Technology的多胶带铺设头（ multiple tape-laying head，MTLH），DLR的MTLH可应用多达三个0.5英寸宽的胶带，并安装在一个六轴工业机器人上，该机器人能够生产4米长、3米直径的旋转部件。
DLR使用机器人缠绕系统和铝制工具制造PROCOMP演示储罐(上)，从1号圆顶(下)的AFP原位固结开始
Brandt介绍，由于AFP头部的接触范围有限，不得不稍微调整铺层，但这些都是小的修改。还使用CF/LMPAEK胶带作为层进行了测试，但决定使用未增强的LMPAEK薄膜作为粘合层，他们希望有一个可以在未来自动连接的层，但也需要在圆顶区域进行粘合，以在放置过程中引导胶带。随后，个圆顶被放置并原位加固，将其从工具上拆下（下图）。接下来，制造了第二个圆顶和储罐的主体部分，在下图的第二步中显示了这两条划线，稍微加宽了直径，以便有空间将个圆顶安装在其裙部内。为了达到这一目的，我们在工具上添加了一个铝带，然后AFP层压裙子。
两部分焊接罐 1号圆顶先被铺设/加固并拆除，然后使用相同的工具制造集成结构：2号圆顶、罐体和两个裙板。脱模后，安装推进剂管理系统（上图中的设备），并在焊接圆顶#1和独立装配夹具中的整体部件时用作砧座。
Deden介绍，这也帮助其创造了一个锋利的壁架来推动个圆顶，这样就知道它的位置是否正确并可以进行焊接；然后，在第二个圆顶上安装了一个额外的工具，并使用AFP制作了第二个裙部；后，将胶带直接覆盖在先前加固的储罐和第二个穹顶的一部分上。Brandt指出，这是热塑性复合材料原位固结的一个优点，总是可以在零件上添加额外的材料，因此，整体部分包括两个完整的裙板、第二个圆顶和罐体。
PROCOMP演示罐在制造过程中是整体部件(上)，带有裙部2 AFP加固和重叠的圆顶2(下)
一些人批评原位固结AFP是一个缓慢的过程，需要非常高质量的胶带才能获得良好的层压板。“这些观点都很合理，”Deden说。“在我们看来，原位固结只有在真正发挥其优势的情况下才有意义，而且你必须使你的设计适应现场过程，这需要真正了解细节。如果你只是尝试修改高压釜固结热塑性零件或普通AFP热固性预浸料零件的设计，这是无效的。”
焊接组件
在整体罐部分从工具中移除后，使用DLR开发的连续超声波焊接技术将个圆顶和完整的整体部件连接在焊接夹具中。该项目的这一部分由团队的焊接专家Manuel Engelschall领导。先，他们为个圆顶配备了推进剂管理系统结构，其中包括圆顶底部的圆周轮廓和一系列弯曲的纵向叶片。他们用铝做这些只是为了证明组装概念，对于实际的储罐而言，这些可以是复合材料，与飞机机身中的纵梁和框架非常相似，因此如何生产这些是众所周知的。”
实际的系统部件不是焦点，但使用圆周轮廓作为焊接砧座是焦点。需要它来实现压力，以巩固热塑性复合材料焊缝。他们还使用了一个易于插入和拆卸的附加金属结构，以确保具有所需的刚度，因为工具已不再提供稳定性。然后焊接了一条圆周焊缝，以连接圆顶和整体部件。
PROCOMP中使用的焊接系统包括一个高精度KUKA机器人手臂，该机器人手臂配备了一个超声波焊极，具有直径为25毫米的球形支承表面。超声电极将振动垂直地引导到复合材料层压板中。由于摩擦，热量仅在焊接接触区域产生。他们在焊接的两个表面之间插入了一层60微米厚的未增强LMPAEK作为能量导向器。
在连续超声焊接中，通常使用能量导引器将能量集中在焊缝区域。与加固焊缝表面相比，整齐的树脂增加了超声波振动的阻尼，从而导致摩擦，使这些表面的基体熔化。焊接速度为20-25毫米/秒，焊接力为400-600牛顿。
100%在线检查
另一个关键目标是通过PROCOMP团队Monika Mayer开发的自动化系统来保证质量。她将激光线与一台特殊的相机结合在一起，自动测量正在放置的磁带的高度轮廓。这基本上是一种先进的激光三角测量传感器。类似的系统已经由Profactor、Danobat复合材料和ZAero项目中的其他合作伙伴开发，用于零缺陷复合材料制造。
Brandt介绍：“有了这个系统，我们可以连续测量间隙、重叠和其他缺陷，这意味着下一层会考虑到这一点。这一点很重要，因为每层中的间隙和重叠会导致高度偏差，进而影响层压板和结构性能。因此，我们可以以非常精确的方式检测这些偏差，但每层之后我们还有一个完整的3D表面，这些都是在现场完成的，这意味着这些测量不需要额外的机器人或时间”
PROCOMP开发了一种在线检测系统，使用激光线和特殊相机检测AFP原位固结过程中的间隙和重叠
这些数据是必要的，以证明制造的零件充分符合CAD设计，并避免因缺陷导致的强度显著下降。但是，如果在AFP过程中检测到间隙和重叠，会发生什么？“在PROCOMP期间，我们只是演示了检查，但没有调整机器人路径的程序，”Deden说。“但是，如果多层中存在间隙和重叠，终可能会出现永久波浪状或弯曲的层压板，因此找到一种解决方案，用原位固结层压板管理这种问题是很重要的。”
Brandt说：“当存在空白和重叠时，就有适应的潜力，但你必须非常小心。例如，对于储罐来说，为了避免终结构中的泄漏，这样做可能是有意义的。但如果你调整机器人路径，你也会调整纤维角度。因此，你需要能够分析间隙或重叠与光纤角度的变化对终储罐性能的影响。”
检查系统的第二部分是使用红外（IR）相机的在线热成像。“这里的概念是在AFP期间发现整合问题，”Brandt说“我们把相机放在AFP头上的压实辊旁边，这样它就可以测量压缩后胶带的温度。刚铺好的胶带和下面的层压材料之间的任何空气都会起到绝缘体的作用。然后，我们会在现场比较冷却速度，以识别潜在的缺陷。我们取得了很好的结果。例如，我的同事用Kapton聚酰亚胺箔模拟误差，这些误差很容易看到。然后，他们开发了一种算法，可以跟踪红外相机上的像素，然后导出温度梯度，这样他们就可以查看并判断是否在正常层压行为的范围内，或者是否存在问题。”
在线热成像系统，用于测试AFP过程中的固结缺陷
所有的检测数据与AFP头、机器人和热源控制器的数据一起存储，使用集成的数据管理系统。Brandt指出这是一种开源软件。所有收集的数据都用上下文元数据自动标注，以便使用捕获时间、AFP层和课程编号以及零件上的空间位置轻松选择感兴趣的区域。还开发了一个仪表板，用于通过趋势分析提供实时过程监控和识别新出现的问题，包括评估零件质量和分析过程数据相关性的能力。
LH2飞机的未来发展？
PROCOMP团队认为这个项目是成功的。“我们展示了制造过程非常可靠，从计算载荷到设计储罐，对AFP进行编程，焊接两个部件，并在储罐内集成推进管理系统。因此，我们取得了很多的成果，但我们已经在另一个项目中工作，这些课题是我们在PROCOMP中无法解决的。”
Brandt说：“另一个有趣的方面是，在这个项目期间，德国开始为飞机中的氢气储存提供大量资金。现在，我们已经看到，这种兴趣出现了爆炸式增长。”波音公司正在寻求将其热固性复合材料低温储罐应用于零排放飞机的LH2储存，而空中客车公司宣布，其架此类飞机将于2035年投入使用，多个研发中心分别于2023年和2026年对LH2储罐进行地面和飞行测试。
Brandt说：“我认为展示的关键优势甚至可以用于飞机上的LH2储罐，它们很可能不会集成到飞机机翼上，至少在初经典设计的版本中是这样的，因此它们将成为必须尽可能轻的额外结构。在这样的储罐中使用CFRP可能有点不切实际，但我相信这是我们长期以来唯一的解决方案，而热塑性复合材料确实可能发挥关键作用。”
