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火箭推进器支架——复合材料应用的下一领域

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推进器支架是由空中客车防务及航天公司开发的火箭结构部件,通常位于一级火箭和二级火箭之间。推进器支架在耐热性和机械结构特性方面要求很高,目前主要由金属材料制成,但空客正在评估将金属制品推进器支架转化为复合材料制品的可行性。

几乎每一个用于近地轨道或更外层轨道的载人或载货航天运载火箭,都包含至少两级火箭。位于最底层,同时也是最大的模块即推进器,为火箭的发射提供初始动力,帮助火箭及载荷离开发射台,并穿过空气阻力最大的低空大气层。当火箭进入高空大气层时,下级火箭燃料消耗殆尽,脱离运载火箭并落回地球。

紧接着,二级运载火箭被点燃,为航天器剩下的旅程提供动力支持。如果需要更高载重,更长航行距离及时间,也可设计包含三级火箭的火箭推进器。但无论如何,运载火箭都至少包含两级火箭推进器。

在运载火箭的制造中,使用复合材料已不是什么新鲜事。重量轻、硬度高的碳纤维结构,已经广泛应用于运载火箭箭体的制造。但仍有少数运载火箭零部件是由金属制成的。如果能将这些零部件转换为复合材料,可以大幅增加运载火箭的载荷能力。位于二级火箭底部的推进器支架,就是可以实现向复合材料转变的部件之一。

 

何为推进器支架?

推进器支架是运载火箭的一部分,通常位于一级运载火箭上方、二级运载火箭下方的位置,上连燃料仓,下接发动机。

很多运载火箭都在推进器支架上安装了监控设备,在液体燃料通过推进器支架注入发动机时,这些设备可以监控发动机健康状况,确保正确运行。因此,推进器支架除了支撑主体结构的目标外,还必须保障监控设备在其中正常运作。

空中客车防务及航天公司最近与荷兰皇家航空航天中心合作,设计、开发和测试了碳纤维推进器支架,探索其在二级运载火箭上的应用,实现其从金属结构向复合材料结构的转换。该项目由欧洲航天局资助,并被纳入其未来发射器筹备方案中。

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为了测试推进器支架中复合材料的适用情况,空客与荷兰皇家航空航天合作开发了一个1:3的小型版本,如图所示此设计图展示了其外表面,该表面使用了转向丝束自动纤维铺放 (AFP) 制造。推进器面临的设计和工程挑战,是关于如何克服机械结构和温度负载的负面影响。

 

复合材料推进器支架并非易事

在金属制品向复合材料制品转换的大多数情况下,都要求复合材料制品具有超过原先金属材料制品的成本效益,同时具备更强的性能指标,特别是更轻的重量。对于推进器支架来说,每个指标都举足轻重。

空中客车防务及航天公司系统工程师查瓦德·法特米表示,推进器支架的上部区域,需要满足大量的性能、强度及刚度的不同要求,主要体现为:

  • 提供将发动机安装到二级火箭的连接物

  • 可将发动机推力传输到二级推进器及载荷仓

  • 在弹道飞行、惯性滑行和落地阶段的载荷转移

  • 增强整体刚度

  • 为连接或固定到推进器支架的设备提供安放处,并提供支持和固定

  • 提供锚固,并启动用于发动机喷嘴转向和控制的伺服制动器负载转换

法特米补充道:“推进器支架的上部区域(靠近顶环的部分)以强度为优先考虑。这是由于每个层的热膨胀系数不同,以及碳纤维复合材料裙边和铝顶环之间的热膨胀系数差异 (目前大多数推进器油箱由铝制成),导致层压板上的高热应力。推进器支架必须保证所需的轴向刚度和弯曲刚度,这是二级火箭制导、导航和控制系统所需的。”推进器支架的主要载荷除了热诱导载荷和地面载荷外,还有发动机推力载荷、伺服制动器载荷和设备的惯性载荷。

推进器支架还面临着重大的温度挑战。荷兰皇家航空航天中心高级科学家亨里·德芙瑞表示,因为通常燃料需要低温储存,推进器顶部与上级推进器相连的地方,温度可以低至零下238摄氏度。距此不到两米的地方,在推进器支架和发动机连接处,温度却达到了零上50摄氏度。德芙瑞不禁感叹:“如此短的距离内,需要适应如此大的温度变化。”

尽管如此,法特米表示,研发出能适应如此严苛条件,降低成本并减轻重量的复合材料推进器支架,仍具有重要意义。“使用复合材料推进器支架,所减轻的每一公斤重量,相应就可以多增加一公斤的载荷,成本降低的同时增强了载荷效率”,法特米如是说。

空中客车防务及航天公司与荷兰皇家航空航天中心在推进器支架复合材料的研发中有所分工。空中客车防务及航天公司将提供系统要求和设计方案、设计模拟和预测以及物理测试与预测性能的关联。荷兰皇家航空航天中心则提供材料和工艺相关专业知识,并负责制造环节,其中大部分工作由其高级研发工程师德芙瑞和项目经理格里茨领导。

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推进器支架由两个复合材料结构部件组成:通过牵引式自动纤维铺放制造的加固结构蒙皮,以及共同固化到内表面的整体预制加强筋。

法特米表示,空中客车防务及航天公司为推进器支架确定的设计将加固结构蒙皮与一系列整体预制加强筋集成在一起,共同固化到蒙皮内表面。此外,推进器支架设计有四个矩形切口,位于锥形结构的窄端附近,最小的约为350×350毫米,最大的约为900×400毫米,这些缺口用来打造燃料管线至发动机的馈通。

推进器支架的设计、选材和开发制造技术将分别进行管理。此外,法特米表示,与其开发全尺寸推进器支架,不如先在1/3大小的小型版本上评估设计。该版本直径为1.55米,高为0.57米。该版本需要减少一些设计元素,像把纵梁从40个减少到22个,厚度减少一半,切口由四个减少为一个。这样的精简足以提供评估设计整体可行性所需的数据,同时节省大笔开支。

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推进器支架的小型成品原型具有22个内部加强筋,而不是全尺寸版本中的40较小的结构限制了在内部蒙皮上包含集成的网格加强筋。


复杂的蒙皮工艺

蒙皮是设计中最具挑战性的部分。格里茨表示,荷兰皇家航空航天中心很早就决定在非热压罐工艺中采用自动纤维铺放,结合零件的机械和温度要求,指导材料选择过程。德芙瑞说,热循环、微裂纹和屈曲是此工艺面临的主要问题。他指出,高度硬化往往会引发微裂纹,一味追求刚度只会给自己增加麻烦。

格里茨表示,在初步评估了六种材料中,荷兰皇家航空航天和空客最终选择了其中一种。该预浸料包含美国赫克塞尔公司IM7 中间模量碳纤维和美国苏威复合材料的CYCOM 5320-1增韧环氧树脂。

如何应用该材料,是下一个挑战。在像推进器支架这样的锥形结构上使用自动纤维铺放,要求使用拖缆去牵引,从支架宽端以一个角度越过直边,进入倾斜的锥形截面。荷兰皇家航空航天开发的以有限元模型为指导的特殊程序,优化了支架的制造工艺,为每个转向层生成具有首选纤维方向的矢量场。纤维铺放仿真软件将矢量场转换为纤维铺放机械臂的纤维牵引路径,所选材料(如0.25英寸宽的丝束)的制造限制也被考虑到软件设计中。因制造约束(如最小转向半径)引起的自动纤维铺放模拟偏差被反馈到程序中。程序下令闭合最终设计回路,这样以便对优化后支架的受力性能行为进行最佳预测。每一层新层片都根据其下方层片相反的方向去牵引。

格里茨透露,荷兰皇家航空航天使用法国科里奥利公司研发的八台自动纤维铺放机器,分别评估了0.125英寸和0.25英寸丝束的牵引转向和应用。法特米表示,空中客车防务及航天公司与荷兰皇家航空航天,联合其他公司一起花了八年时间进行牵引转向研究,学习如何避免转向可能产生的重叠、间隙和皱纹。

此外,格里茨说,1:3 比例设计的制造也带来了挑战。“仍无法突破在小比例设计中应用相同的材料(如0.25英寸胶带)和技术(如自动纤维铺放)时的制造限制。同时,在当前制造限制下,设计出在低温条件下负载表现与全尺寸相同的小尺寸推进器支架,意味着更高程度的曲率,也是个挑战。”

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该测试面板展示了荷兰皇家航空航天应用“智能搭接”技术,开发的全尺寸版推进器支架的加强结构蒙皮。智能搭接涉及战略性地使用自动纤维铺放来构建一系列集成的方形网格加强筋。

 

智能搭接

推进器支架内部结构是单独设计和制造的,在1:3设计中包含22个纵向加强条,全尺寸设计中包含40个。全尺寸设计还设想,将每个纵向加强条都固定在具有一系列集成方形网格加强筋的碳纤维层压板上。该方形网格加强筋使用荷兰皇家航空航天所谓的“智能搭接”所制造。

在智能搭接中,自动纤维铺放机器执行三个基本任务。首先,铺设一个或多个连续的碳纤维层。接下来,自动纤维铺放系统按照编程,切割碳纤维束中间层,形成一系列100×100毫米无纤维束方块。最后给这些方块覆盖上纤维的贴片。这些贴片比它们覆盖的方块稍大,在相同的方块图案中产生搭接。这些搭接增加了局部层压板的厚度,形成了集成的方形网格加强筋。

操作过程中,连续的丝束被堆叠在整个方块上,这会产生额外的高度和刚度,并在每个方块的边缘形成一个脊。随着更多的丝束的堆叠,这条脊的高度会增加,逐渐形成明显的方形网格加强筋。  格里茨说:“只要搭接有足够的长度,就可以保持载荷转移,但同时也增加了额外的材料厚度,增强了层压板的抗弯刚度。”

由于1:3设计推进器支架设计中空间不足,荷兰皇家航空航天无法在其制造的结构中构建网格加强筋,但格里茨和德芙瑞表示,他们的团队已实现了在叶片加强筋之间加入了此类网格加强筋,制造了单曲面压缩板。这些小型设计结构的测试已表明,全尺寸设计通过将蒙皮的抗弯刚度增加5%,可以达到最优的设计效果。格里茨说,通过进一步增加集成网格加强筋的高度,可以实现更高的抗弯刚度。

U 形加强条通过热成型工艺预成型,并与隔板和纵梁加强筋一起放置在这个网格加固的内蒙皮上。然后将整个内部结构嵌套在外壳的内表面中,再将外壳嵌套在阴模中。这套完整的组件最后经过真空袋装和烘箱固化,形成最终的共固化结构。

法特米表示,从小型设计推进器支架的成功设计和制造结果来看,全尺寸设计的制造是相当有保障的。空中客车防务及航天公司与荷兰皇家航空航天目前正在同运载火箭制造商磋商,评估复合推进器支架在下一代火箭设计中的可行性。


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