FRP 复合低温储罐冲向太空

如果您认为低温储罐是科幻小说中的事物，那么我们有一些令人振奋的消息要告诉您。它们不仅是真实的，而且最近的技术进步使得使用纤维增强聚合物 (FRP) 复合材料制造低温罐成为可能。这些球形罐完全没有内衬，可用于储存航天器的推进剂。让我们深入了解这项突破性技术。流行文化的演变人们能记得的第一个流行文化参考低温技术来自星球大战电影帝国反击战。在一个非常戏剧化的事件转折中，叛逆的英雄汉·索罗 (Han Solo) 被抓获并冷冻在低温溶液中。那时，他被运送到电影中的反派之一，被称为小屋贾巴，在被他的同志们释放之前，他被冻结了很长一段时间。这是许多人第一次听说低温技术，在当时，对于大多数电影观众来说，这似乎有些牵强。然而，近几十年来低温技术已经发展。如今，它越来越多地用于太空探险应用。什么是低温学？在物理学中，低温学是在极低温度下生产材料的科学。根据美国国家标准与技术研究院，低温学涉及 −180 °C 或以下的温度。这就是氮气、氢气、氦气等气体如何变成液体并保持液体状态的原因。由于超冷却过程，这些挥发性液态气体必须储存在非常特殊的容器中。在这种情况下，我们谈论的是用 FRP 复合材料制造的新型低温罐。了解新的低温储罐太空运载火箭需要大量燃料才能突破地球大气层并到达外层空间。一般来说，航天器推进剂，如氮气、氧气和氢气，可以在室温下储存在储存单元中。然而，储存如此大量的低密度气体会增加航天器的重量。这可能会导致飞行器的有效载荷能力出现问题。一直以来，科学家们一直在寻找一种方法，在不影响宇航员在外太空停留的时间的情况下，将足够的推进剂带上太空。这就是 FRP 复合低温罐发挥作用的地方。以高密度液态储存氮气、氢气和氧气，使航天器能够在更小、更轻的储罐中携带更多推进剂。这种方法不仅有助于减轻推进剂给航天器增加的总重量，而且还使宇航员能够携带更多物资进行更长时间的探索。

100% FRP 复合低温球于 2020 年 4 月引入航空航天市场。它们是球形的，不需要任何类型的罐内衬。这些存储单元没有衬里的事实使其成为V 型压力容器。过去，I 型到 IV 型需要使用金属作为罐内衬。这样做的想法是在液态气体和储罐外部之间形成一道屏障。然而，随着金属衬里的消除，科学家们已经能够制造出一种稳定且重量更轻的低温储罐。那么，为什么研发这种无内衬玻璃钢复合材料低温罐要花这么长时间呢？以前的设计往往会遇到微裂纹的问题。这是由极端冷却过程引起的，该过程使复合层压板内的树脂变脆。储罐中的这些微小裂缝最终是不可接受的，这就是导致开发无内衬 FRP 复合储罐的原因。FRP 低温基质开发新型无内衬 FRP 复合低温罐并非易事。工程师们需要创造出能够承受极低温度和高压而不开裂的东西。无内衬水箱的想法是向位于德克萨斯州休斯顿的美国宇航局约翰逊航天中心提出的。不久之后，该项目见证了为月球着陆器演示飞行器制造无内衬低温 FRP 复合罐的过程。此类储罐必须能够承受冷却至 -290°F，然后恢复到环境温度。换句话说，储罐需要能够承受 100 psi 的压力和最多 10 个液氮循环。在氦气检查期间，它还必须能够在每个液氮循环之间的循环后低温爆发期间保持高达 1000 psi 的压力。该原型能够在五个液氮循环中存活下来。微裂纹是第 6 次循环失败的罪魁祸首。为了解决这个令人衰弱的问题，工程师们在特殊的拉挤工艺中使用了碳纤维和环氧树脂。这包括缠绕细丝，在室温下固化液态树脂，然后将固化后的部件放入工业烤箱中进行另一轮固化。包括石墨烯在内的新型树脂基体中包含多种添加剂。石墨烯用于提高耐热性和整体强度，可延伸到碳纤维粗纱之间的微观空间，有助于防止层压板出现裂纹。树脂基体中包含其他添加剂，使 FRP 复合材料在极低温度下更具延展性。防止微裂纹的另一个关键因素是罐的球形。圆形设计有助于减少整个储罐的温度差异，从而使内部的推进剂更加稳定，并且不太可能在层压板中引起微裂纹。玻璃钢复合低温储罐的未来

NASA MISSE 计划已经为继续开发无内衬 FRP 复合低温罐提供了资金。五个CryoSpheres已经被送到 NASA 的兰利高级研究中心，用于在 2020 年 11 月向国际空间站 (ISS) 发射 MISSE 期间使用。这些储罐的直径为 48 英寸，一旦到达，它们将在国际空间站接受严格的测试。

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