无内衬（V 型）压力容器研究进展分析解析

在航天领域，设计与制造技术的进步正不断推动材料革新，尤其是在压力容器的开发上。V型压力容器，无内衬复合材料压力容器的设计目标，是这一进步的明显标志。传统的I至IV类压力容器虽广泛采用了金属材料以确保气体或液体的安全存储，但这些容器的重量和成本始终是设计与应用中的关键挑战。与金属容器相比，采用复合材料的容器在重量和成本方面都显示出了显著的优势，尤其是当取消金属内衬后，贮箱的重量可以大幅度减轻。研究指出，将复合材料应用于航天运载器的贮箱，可以实现20%至40%的结构减重，这不仅能显著降低运载火箭的成本，还能增加有效载荷的运载能力。因此，复合材料贮箱的研发和应用，被视为未来航天运载器材料发展的重要方向，预示着航天材料技术的一次重大飞跃，向着更轻、更经济、更高效的目标迈进。

目前，复合材料压力容器主要分为两大类：一是含内衬复合材料压力容器，二是无内衬复合材料压力容器，即全复合材料压力容器。这两类压力容器都在国外的航天器上得到过应用研究，具体情况见表。

在探索航天器压力容器的发展过程中，专家们面临着材料性能与结构安全之间的复杂挑战。尤其在含内衬复合材料压力容器的应用上，历史经验表明存在着显著的技术难点。以X-33碳纤维/环氧树脂复合材料液氢贮箱为例，1999年的地面试验揭示了这种设计存在的一个重要问题：内衬层的潜在失效。试验中，贮箱的外衬层和蜂窝夹心层与内衬层发生分离，导致了试验的失败。这一失败的根本原因在于内衬层复合材料聚合物基体出现了微裂纹。面对这一挑战，无内衬全复合材料压力容器的概念应运而生，其旨在通过取消内衬来减轻贮箱的质量，并尽可能避免内衬失效的风险。然而，即便是这种创新设计，微裂纹问题仍然是一个难以克服的技术难题。特别是在全复合材料低温压力容器，如球形压力容器的应用中，这一问题尤为突出。这类容器因其小巧的体积，被认为是实现长期太空探索和生存的关键技术。但是，当这些容器用于存储液氮或液氧等低温流体时，复合材料层间由于极端温度条件下热膨胀系数的差异，容易发生层间剥离，引起微裂纹，进而可能导致泄漏。此外，许多树脂在低温条件下会变得更加脆弱，加剧了裂纹问题。虽然像NASA这样的航天机构已经在月球着陆器等项目中采用了球形设计，但由于上述问题，目前所采用的解决方案依然是质量更重、燃烧效率更低的金属球体或球形金属复合材料缠绕压力容器（COPV）。因此，研制出既轻质又能高效应对极端条件的全复合材料压力容器，成为了航天器压力容器制造商和材料科学家共同追求的终极目标，以期在确保安全的同时，提高航天任务的性能和成本效率。

在航天领域，推进剂的有效和安全存储是实现深空探索和长期太空任务的关键。美国Infinite Composites Technologies（ICT）公司最近开发的CryoSphere技术，标志着这一领域的重大突破。作为一家创立于2010年、原名为CleanNG的创新型企业，ICT公司专注于无内衬全复合材料压力容器的研发和生产，旨在通过先进的材料和制造技术，提供更轻质、成本效益高且环境友好的解决方案。CryoSphere，这种球形无内衬全复合材料低温压力容器的研发，解决了传统金属或有内衬容器在极端低温环境下容易出现的微裂纹问题。微裂纹的形成不仅会影响容器的结构完整性，还可能导致贮存的推进剂泄露，增加任务失败的风险。通过采用先进的复合材料和无内衬设计，CryoSphere能够在极低温度下保持良好的机械性能和密封性，为火箭低温推进剂的安全贮存提供了可靠保证。ICT公司的这一技术突破基于其在复合材料压力容器领域的深厚积累。公司自成立以来，就一直是通过AS9100D和ISO 9001:2015认证的无内衬复合材料压力容器制造商，这证明了其在设计、开发和制造高性能贮存系统方面的专业能力和质量控制水平。特别是，公司在2013年获得的美国俄克拉荷马州科学技术进步中心（OCAST）资助，为低温贮箱材料特性和测试提供了重要的研发资金支持，这一研究项目的成功，为CryoSphere的研发奠定了坚实的基础。此外，ICT公司与美国国家航空航天局（NASA）的合作进一步验证了其技术的先进性和应用潜力。通过针对月球着陆器的低温贮箱快速开发项目，ICT展示了其全复合材料低温贮箱在极端条件下的卓越性能，尽管在初期测试中遇到了挑战，但公司通过不懈的努力和创新，成功解决了微裂纹问题，展现了复合材料在航天器推进剂贮存领域的巨大潜力。综上所述，ICT公司的CryoSphere技术不仅是材料科学和航天工程领域的一项重要创新，也为未来的太空探索和可持续性空间运输提供了新的解决方案。通过优化贮存系统的性能和安全性，该技术有望在推动人类探索宇宙的伟大征程中发挥关键作用。

Infinite Composites Technologies（ICT）公司推出的Infinite CPV（iCPV）是一种创新的V型无衬层复合材料压力容器，采用圆柱形设计。这种设计旨在以最轻的重量满足对重量极度敏感的应用需求，特别适合需要高性能贮存解决方案的客户。2020年，这种圆柱形的iCPV压力容器已成功集成至某次火箭发射任务中，尽管出于保密考虑，具体的应用细节未对外公开。iCPV代表了全复合材料设计的简化，凭借其优化的性能参数，成为在重量敏感型航天应用中的理想选择，体现了ICT公司在复合材料压力容器领域的技术创新和领先地位。

在2019年末，Infinite Composites Technologies（ICT）公司与NASA肯尼迪航天中心建立了合作关系，这一合作涉及提供两个CryoSpheres球形低温贮箱用于测试，这些贮箱的尺寸仅为Morpheus着陆器使用的圆柱形贮箱的一半。这一合作项目不仅展示了ICT公司在创新低温贮存解决方案方面的领先技术，也体现了其产品在性能上的卓越表现。CryoSpheres的测试结果尤为引人注目。这些球形低温贮箱不仅成功完成了所有预定的热循环测试，而且在连续的循环测试中通过氦气检测，确认未出现微裂纹，这证明了其在极端条件下的可靠性和耐用性。此成果不仅验证了ICT公司在设计和制造先进低温贮箱方面的能力，也突显了其产品在航天应用中的潜力。值得注意的是，尽管还有其他三家供应商参与了这一合同的竞争，但在ICT公司完成测试时，这些竞争对手尚未能够研发出第一个贮箱原型。这一情况凸显了ICT公司在技术创新、产品开发速度以及与重要合作伙伴如NASA的紧密合作方面的独特优势，进一步巩固了其在复合材料压力容器领域的领先地位。

Infinite Composites Technologies (ICT)的发展历程充分体现了外部资金支持对创新型航天技术企业成长的重要性。特别是，ICT获得了NASA材料国际空间站实验（MISSE）计划的资金支持，该计划旨在将试验材料发送至国际空间站（ISS）进行空间环境下的实验测试。为了满足这一目标，ICT专门设计并制造了直径为63.5mm的球形压力容器，这种特定尺寸的选择既出于测试的便利性，也因其潜在的应用于机器人气动系统中。2020年2月，ICT向NASA兰利高级研究中心交付了5个CryoSphere压力容器。虽然最初计划在2020年8月将这些容器通过MISSE计划发射到国际空间站，但发射最终被推迟到了11月。一旦到达国际空间站，这些CryoSphere容器将被安置在空间站外部，并配备辐射传感器进行为期约六个月的实验，以测试材料在地球轨道环境下直接暴露于极端热量和辐射条件的性能及其公差范围。这一项目不仅对ICT在材料科学和工程领域的研究有着重要意义，也为航天器材料的开发提供了宝贵的数据，尤其是在提高难加工材料的加工速度、缩短制造周期以及通过增加设计复杂性来提升系统性能等方面。通过这种直接在太空环境中测试材料的方法，ICT能够更准确地评估其产品的性能，进一步推动其在航天领域的应用和发展。