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航天八院大型复合材料液氧贮箱成功通过工程应用试验验证

近日,由805所设计研制的3.35米直径复合材料液氧贮箱圆满完成低温力学试验,这是国内大型复合材料液氧贮箱首次通过工程应用级的试验验证,标志着我国复合材料液氧贮箱已经初步具备工程应用能力,后续预计将在我国新一代运载火箭上实现工程应用。

贮箱减重30%,火箭飞得更高、载得更重

占全箭结构重量60%以上的贮箱,堪称是火箭身上的“大块头”部件。贮箱越轻,意味着火箭可搭载的有效载荷越多,火箭的运载能力越强,因此贮箱的重量一直让结构设计师们“斤斤计较”。

航天八院大型复合材料液氧贮箱成功通过工程应用试验验证

近年,从传统铝铜合金到高强铝锂合金,贮箱结构材料的迭代不断助力火箭实现减重“小目标”,但这还远远不够。从2016年开始,805所结构专业团队就将目光放在具有更高力学性能的碳纤维增强复合材料上,并开展了相关方案论证工作。

设计师介绍说,复合材料的比强度通常可以提高50%以上,相比金属贮箱可减重30%;且可通过一体化设计方法,大幅简化制造流程和质量控制环节,达到降本增效的显著成果。“新一代运载火箭,若能减重30%,则火箭运载能力将会提升6%,也就是说,火箭可以多搭载300公斤的载荷,这对于运力价格以克计的运载火箭来说可谓意义重大。”805所运载火箭结构系统设计师陈佳解释道。

虽然复合材料力学性能优异,能够达到降本增效的效果,但它作为火箭贮箱来说,却有两个不容忽视的缺点,就是极易与液氧发生剧烈反应,同时易出现低温微裂纹渗漏,给贮箱的安全性带来巨大风险。这对于以液氧、液氢等作为推进剂的我国新一代运载火箭来说,是一个亟待解决的难题。

有难度才有挑战,敢创新才有发展。805所的设计师们积极推动多学科融合,将卡脖子清单变为一项项攻关清单,历时5年攻克了耐液氧材料开发、低温抗渗漏设计、低温密封设计、可重复模具制备、低缺陷制造等10余项关键技术,实现了复合材料液氧贮箱领域多个“从0到1”的突破。

比如,团队通过为期1年的集中攻关,攻克了高性能耐液氧树脂材料的制备技术,使材料强度提升约50%,且适用于自动铺丝及缠绕等先进制造工艺,为液氧贮箱轻量化打下坚实基础;通过开展低温密封试验,国内首次突破了直径600mm级复合材料法兰低温液氧密封技术,解决了复合材料液氧贮箱的低温密封难题;采用抗渗漏冗余设计,在贮箱表层增设了一层轻薄隔离层,把“漏网”的推进剂分子牢牢拴住,大幅提升了复合材料液氧贮箱的应用可靠性。

2021年4月20日,805所开展了3.35米直径复合材料液氧贮箱低温110%使用压力试验,各项关键技术攻关成果得以集中验证,产品性能表现良好。

 10余项关键技术的攻克打破了以往复合材料极少涉足于低温密封领域的局面,国内首次低温力学试验的成功,更是表明了805所在大型复合材料液氧贮箱的关键技术攻关上取得了实质性突破,这使得复合材料液氧贮箱于“十四五”在我国新一代运载火箭上实现工程应用的目标变得现实可行。 


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