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除了削減成本，運(yùn)載火箭的另一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是增加有效載荷。與傳統(tǒng)的金屬燃料儲(chǔ)罐相比，碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）燃料儲(chǔ)罐可減輕20-40%的重量。多家公司正在開(kāi)發(fā)此類儲(chǔ)罐，包括波音公司，該公司已證實(shí)其全復(fù)合材料低溫推進(jìn)儲(chǔ)罐的技術(shù)準(zhǔn)備水平（TRL）達(dá)到6，通過(guò)了壓力循環(huán)測(cè)試和大壓力測(cè)試，達(dá)到其設(shè)計(jì)要求的3.75倍，而且沒(méi)有任何故障跡象。
這種熱固性復(fù)合材料燃料儲(chǔ)罐的直徑為4.3米，與美國(guó)宇航局NASA太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）火箭上層的推進(jìn)劑儲(chǔ)罐大小大致相同，該火箭的目標(biāo)是到2025年將宇航員送上月球，德國(guó)航空航天中心（DLR）輕量化生產(chǎn)技術(shù)空間相關(guān)應(yīng)用項(xiàng)目經(jīng)理Lars Brandt介紹，瞄準(zhǔn)這種火箭上層是關(guān)鍵，因?yàn)樵谏蠈尤剂蟽?chǔ)罐中節(jié)省的每一公斤都是能送入太空的一公斤有效載荷。
在2019-2020年的PROCOMP項(xiàng)目中，DLR開(kāi)始進(jìn)一步推動(dòng)使用碳纖維制成的“黑色”儲(chǔ)罐。“我們的想法是使用熱塑性復(fù)合材料，”Brandt說(shuō)，“由于其在低溫環(huán)境中的延展性，以及其他優(yōu)點(diǎn)，例如自動(dòng)化制造過(guò)程中的原位固結(jié)和無(wú)需緊固件的組裝焊接。這種方法實(shí)現(xiàn)了一種新的兩件式設(shè)計(jì)，可以進(jìn)入儲(chǔ)罐內(nèi)部以保證質(zhì)量，并更容易安裝填充傳感器和推進(jìn)管理系統(tǒng)等設(shè)備。后者包括防止液體低溫燃料晃動(dòng)的圓周艙壁和將燃料引導(dǎo)至噴嘴以輸送至下方火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的縱向葉片。DLR通過(guò)制造一個(gè)小規(guī)模演示器證明了這一設(shè)計(jì)，該演示器使用低熔點(diǎn)聚芳醚酮（LMPAEK）預(yù)浸料帶的原位固結(jié)自動(dòng)纖維放置（AFP），并使用磁帶輪廓傳感器和在線熱成像進(jìn)行100%檢測(cè)。
PROCOMP項(xiàng)目演示罐在碳纖維/LMPAEK膠帶自動(dòng)光纖放置(AFP)過(guò)程中采用原位固結(jié)，并使用超聲波焊接進(jìn)行組裝
儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)
自2018年以來(lái)，DLR一直致力于航天器的低溫液氫（LH2）儲(chǔ)存。Brandt介紹，在PROCOMP中咨詢Ariane 6火箭的上部使用的復(fù)合材料液氫罐；他指出，盡管SpaceX決定繼續(xù)使用金屬罐，但是歐洲Ariane 6項(xiàng)目在2025-2026年之前將會(huì)測(cè)試一個(gè)新的上層艙，其中包括由CFRP制成的液氧和LH2儲(chǔ)罐。
PROCOMP團(tuán)隊(duì)從LH2的需求量開(kāi)始（約5噸）設(shè)計(jì)，然后將其縮小到已有的工具，從而形成了一個(gè)長(zhǎng)2米、直徑1.3米的圓柱形儲(chǔ)罐，其端部為圓頂。接下來(lái)必須決定在何處拆分儲(chǔ)罐，以開(kāi)發(fā)兩部分式設(shè)計(jì)。團(tuán)隊(duì)提出了一些不同的概念，但終只得到了兩個(gè)圓頂中的一個(gè)，然后再將其焊接到一個(gè)整體部件上，該部件包括另一個(gè)圓頂，該圓頂與主罐體以及兩端的裙板共同加固。這些裙座位于多片式運(yùn)載火箭內(nèi)的燃料箱，有助于在發(fā)射、級(jí)分離和后續(xù)飛行期間抵抗各種負(fù)載。
PROCOMP項(xiàng)目中的熱塑性碳纖維復(fù)合材料儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)
ZLP工藝和自動(dòng)化研究工程師Dominik Deden解釋道：“一開(kāi)始我們有較高的設(shè)計(jì)自由度，但我們決定使用現(xiàn)有的工具和設(shè)計(jì)，在這種設(shè)計(jì)中，集成部件的直徑會(huì)有所擴(kuò)大。這使得獨(dú)立式圓頂可以安裝在集成部件內(nèi)部，然后在設(shè)備安裝后進(jìn)行焊接。對(duì)我們來(lái)說(shuō)，這種方法在性能、重量節(jié)省和可制造性之間提供了佳平衡。獨(dú)立式圓頂與集成部件使用相同的工裝制造，這意味著我們不需要額外的工裝成本。”
“然而，這種兩部分式設(shè)計(jì)還需要在集成部件的開(kāi)口裙部?jī)?nèi)部定義一個(gè)凸緣，以便在焊接前定位圓頂。焊接線不會(huì)很寬，因此我們需要精確定位圓頂”，Deden繼續(xù)說(shuō)道。從這一點(diǎn)上，該團(tuán)隊(duì)使用來(lái)自達(dá)索系統(tǒng)的CATIA V5軟件和用于有限元分析（FEA）的Ansys進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。
通過(guò)考慮20開(kāi)爾文（-253°C）的工作溫度和5巴壓力的不同靜態(tài)和屈曲載荷情況，對(duì)儲(chǔ)罐的層壓板設(shè)計(jì)進(jìn)行了評(píng)估。圓頂和主罐體將使用11層單向（UD）碳纖維增強(qiáng)（CF）LMPAEK膠帶，應(yīng)用于0°（罐體縱軸）、±30°、±60°、±45°和90°，而罐體裙板將增加至16層，并增加0°和90度層以防屈曲。每個(gè)層的合并厚度為0.14毫米，圓頂和罐體的厚度為1.54毫米，裙部的厚度為2.38毫米，因?yàn)樵陬~外的0°/90°層中，與圓頂有210毫米的重疊。
自動(dòng)鋪層和原位固結(jié)
在收到FEA/應(yīng)力小組的儲(chǔ)罐層壓設(shè)計(jì)后，必須檢查是否有可能使用AFP設(shè)備制造儲(chǔ)罐。使用的設(shè)備是Advanced Fibre Placement Technology的多膠帶鋪設(shè)頭（ multiple tape-laying head，MTLH），DLR的MTLH可應(yīng)用多達(dá)三個(gè)0.5英寸寬的膠帶，并安裝在一個(gè)六軸工業(yè)機(jī)器人上，該機(jī)器人能夠生產(chǎn)4米長(zhǎng)、3米直徑的旋轉(zhuǎn)部件。
DLR使用機(jī)器人纏繞系統(tǒng)和鋁制工具制造PROCOMP演示儲(chǔ)罐(上)，從1號(hào)圓頂(下)的AFP原位固結(jié)開(kāi)始
Brandt介紹，由于AFP頭部的接觸范圍有限，不得不稍微調(diào)整鋪層，但這些都是小的修改。還使用CF/LMPAEK膠帶作為層進(jìn)行了測(cè)試，但決定使用未增強(qiáng)的LMPAEK薄膜作為粘合層，他們希望有一個(gè)可以在未來(lái)自動(dòng)連接的層，但也需要在圓頂區(qū)域進(jìn)行粘合，以在放置過(guò)程中引導(dǎo)膠帶。隨后，個(gè)圓頂被放置并原位加固，將其從工具上拆下（下圖）。接下來(lái)，制造了第二個(gè)圓頂和儲(chǔ)罐的主體部分，在下圖的第二步中顯示了這兩條劃線，稍微加寬了直徑，以便有空間將個(gè)圓頂安裝在其裙部?jī)?nèi)。為了達(dá)到這一目的，我們?cè)诠ぞ呱咸砑恿艘粋€(gè)鋁帶，然后AFP層壓裙子。
圖1.兩部分焊接罐 1號(hào)圓頂先被鋪設(shè)/加固并拆除，然后使用相同的工具制造集成結(jié)構(gòu)：2號(hào)圓頂、罐體和兩個(gè)裙板。脫模后，安裝推進(jìn)劑管理系統(tǒng)（上圖中的設(shè)備），并在焊接圓頂#1和獨(dú)立裝配夾具中的整體部件時(shí)用作砧座。
Deden介紹，這也幫助其創(chuàng)造了一個(gè)鋒利的壁架來(lái)推動(dòng)個(gè)圓頂，這樣就知道它的位置是否正確并可以進(jìn)行焊接；然后，在第二個(gè)圓頂上安裝了一個(gè)額外的工具，并使用AFP制作了第二個(gè)裙部；后，將膠帶直接覆蓋在先前加固的儲(chǔ)罐和第二個(gè)穹頂?shù)囊徊糠稚稀randt指出，這是熱塑性復(fù)合材料原位固結(jié)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，總是可以在零件上添加額外的材料，因此，整體部分包括兩個(gè)完整的裙板、第二個(gè)圓頂和罐體。
PROCOMP演示罐在制造過(guò)程中是整體部件(上)，帶有裙部2 AFP加固和重疊的圓頂2(下)
一些人批評(píng)原位固結(jié)AFP是一個(gè)緩慢的過(guò)程，需要非常高質(zhì)量的膠帶才能獲得良好的層壓板。“這些觀點(diǎn)都很合理，”Deden說(shuō)。“在我們看來(lái)，原位固結(jié)只有在真正發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)的情況下才有意義，而且你必須使你的設(shè)計(jì)適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程，這需要真正了解細(xì)節(jié)。如果你只是嘗試修改高壓釜固結(jié)熱塑性零件或普通AFP熱固性預(yù)浸料零件的設(shè)計(jì)，這是無(wú)效的。”
焊接組件
在整體罐部分從工具中移除后，使用DLR開(kāi)發(fā)的連續(xù)超聲波焊接技術(shù)將個(gè)圓頂和完整的整體部件連接在焊接夾具中。該項(xiàng)目的這一部分由團(tuán)隊(duì)的焊接專家Manuel Engelschall領(lǐng)導(dǎo)。先，他們?yōu)閭€(gè)圓頂配備了推進(jìn)劑管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中包括圓頂?shù)撞康膱A周輪廓和一系列彎曲的縱向葉片。他們用鋁做這些只是為了證明組裝概念，對(duì)于實(shí)際的儲(chǔ)罐而言，這些可以是復(fù)合材料，與飛機(jī)機(jī)身中的縱梁和框架非常相似，因此如何生產(chǎn)這些是眾所周知的。”
實(shí)際的系統(tǒng)部件不是焦點(diǎn)，但使用圓周輪廓作為焊接砧座是焦點(diǎn)。需要它來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力，以鞏固熱塑性復(fù)合材料焊縫。他們還使用了一個(gè)易于插入和拆卸的附加金屬結(jié)構(gòu)，以確保具有所需的剛度，因?yàn)楣ぞ咭巡辉偬峁┓€(wěn)定性。然后焊接了一條圓周焊縫，以連接圓頂和整體部件。
PROCOMP中使用的焊接系統(tǒng)包括一個(gè)高精度KUKA機(jī)器人手臂，該機(jī)器人手臂配備了一個(gè)超聲波焊極，具有直徑為25毫米的球形支承表面。超聲電極將振動(dòng)垂直地引導(dǎo)到復(fù)合材料層壓板中。由于摩擦，熱量?jī)H在焊接接觸區(qū)域產(chǎn)生。他們?cè)诤附拥膬蓚€(gè)表面之間插入了一層60微米厚的未增強(qiáng)LMPAEK作為能量導(dǎo)向器。
在連續(xù)超聲焊接中，通常使用能量導(dǎo)引器將能量集中在焊縫區(qū)域。與加固焊縫表面相比，整齊的樹(shù)脂增加了超聲波振動(dòng)的阻尼，從而導(dǎo)致摩擦，使這些表面的基體熔化。焊接速度為20-25毫米/秒，焊接力為400-600牛頓。
100%在線檢查
另一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是通過(guò)PROCOMP團(tuán)隊(duì)Monika Mayer開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)保證質(zhì)量。她將激光線與一臺(tái)特殊的相機(jī)結(jié)合在一起，自動(dòng)測(cè)量正在放置的磁帶的高度輪廓。這基本上是一種先進(jìn)的激光三角測(cè)量傳感器。類似的系統(tǒng)已經(jīng)由Profactor、Danobat復(fù)合材料和ZAero項(xiàng)目中的其他合作伙伴開(kāi)發(fā)，用于零缺陷復(fù)合材料制造。
Brandt介紹：“有了這個(gè)系統(tǒng)，我們可以連續(xù)測(cè)量間隙、重疊和其他缺陷，這意味著下一層會(huì)考慮到這一點(diǎn)。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)槊繉又械拈g隙和重疊會(huì)導(dǎo)致高度偏差，進(jìn)而影響層壓板和結(jié)構(gòu)性能。因此，我們可以以非常精確的方式檢測(cè)這些偏差，但每層之后我們還有一個(gè)完整的3D表面，這些都是在現(xiàn)場(chǎng)完成的，這意味著這些測(cè)量不需要額外的機(jī)器人或時(shí)間”
PROCOMP開(kāi)發(fā)了一種在線檢測(cè)系統(tǒng)，使用激光線和特殊相機(jī)檢測(cè)AFP原位固結(jié)過(guò)程中的間隙和重疊
這些數(shù)據(jù)是必要的，以證明制造的零件充分符合CAD設(shè)計(jì)，并避免因缺陷導(dǎo)致的強(qiáng)度顯著下降。但是，如果在AFP過(guò)程中檢測(cè)到間隙和重疊，會(huì)發(fā)生什么？“在PROCOMP期間，我們只是演示了檢查，但沒(méi)有調(diào)整機(jī)器人路徑的程序，”Deden說(shuō)。“但是，如果多層中存在間隙和重疊，終可能會(huì)出現(xiàn)永久波浪狀或彎曲的層壓板，因此找到一種解決方案，用原位固結(jié)層壓板管理這種問(wèn)題是很重要的。”
Brandt說(shuō)：“當(dāng)存在空白和重疊時(shí)，就有適應(yīng)的潛力，但你必須非常小心。例如，對(duì)于儲(chǔ)罐來(lái)說(shuō)，為了避免終結(jié)構(gòu)中的泄漏，這樣做可能是有意義的。但如果你調(diào)整機(jī)器人路徑，你也會(huì)調(diào)整纖維角度。因此，你需要能夠分析間隙或重疊與光纖角度的變化對(duì)終儲(chǔ)罐性能的影響。”
檢查系統(tǒng)的第二部分是使用紅外（IR）相機(jī)的在線熱成像。“這里的概念是在AFP期間發(fā)現(xiàn)整合問(wèn)題，”Brandt說(shuō)“我們把相機(jī)放在AFP頭上的壓實(shí)輥旁邊，這樣它就可以測(cè)量壓縮后膠帶的溫度。剛鋪好的膠帶和下面的層壓材料之間的任何空氣都會(huì)起到絕緣體的作用。然后，我們會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)比較冷卻速度，以識(shí)別潛在的缺陷。我們?nèi)〉昧撕芎玫慕Y(jié)果。例如，我的同事用Kapton聚酰亞胺箔模擬誤差，這些誤差很容易看到。然后，他們開(kāi)發(fā)了一種算法，可以跟蹤紅外相機(jī)上的像素，然后導(dǎo)出溫度梯度，這樣他們就可以查看并判斷是否在正常層壓行為的范圍內(nèi)，或者是否存在問(wèn)題。”
在線熱成像系統(tǒng)，用于測(cè)試AFP過(guò)程中的固結(jié)缺陷
所有的檢測(cè)數(shù)據(jù)與AFP頭、機(jī)器人和熱源控制器的數(shù)據(jù)一起存儲(chǔ)，使用集成的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。Brandt指出這是一種開(kāi)源軟件。所有收集的數(shù)據(jù)都用上下文元數(shù)據(jù)自動(dòng)標(biāo)注，以便使用捕獲時(shí)間、AFP層和課程編號(hào)以及零件上的空間位置輕松選擇感興趣的區(qū)域。還開(kāi)發(fā)了一個(gè)儀表板，用于通過(guò)趨勢(shì)分析提供實(shí)時(shí)過(guò)程監(jiān)控和識(shí)別新出現(xiàn)的問(wèn)題，包括評(píng)估零件質(zhì)量和分析過(guò)程數(shù)據(jù)相關(guān)性的能力。
LH2飛機(jī)的未來(lái)發(fā)展？
PROCOMP團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這個(gè)項(xiàng)目是成功的。“我們展示了制造過(guò)程非常可靠，從計(jì)算載荷到設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐，對(duì)AFP進(jìn)行編程，焊接兩個(gè)部件，并在儲(chǔ)罐內(nèi)集成推進(jìn)管理系統(tǒng)。因此，我們?nèi)〉昧撕芏嗟某晒覀円呀?jīng)在另一個(gè)項(xiàng)目中工作，這些課題是我們?cè)赑ROCOMP中無(wú)法解決的。”
Brandt說(shuō)：“另一個(gè)有趣的方面是，在這個(gè)項(xiàng)目期間，德國(guó)開(kāi)始為飛機(jī)中的氫氣儲(chǔ)存提供大量資金。現(xiàn)在，我們已經(jīng)看到，這種興趣出現(xiàn)了爆炸式增長(zhǎng)。”波音公司正在尋求將其熱固性復(fù)合材料低溫儲(chǔ)罐應(yīng)用于零排放飛機(jī)的LH2儲(chǔ)存，而空中客車(chē)公司宣布，其架此類飛機(jī)將于2035年投入使用，多個(gè)研發(fā)中心分別于2023年和2026年對(duì)LH2儲(chǔ)罐進(jìn)行地面和飛行測(cè)試。
Brandt說(shuō)：“我認(rèn)為展示的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)甚至可以用于飛機(jī)上的LH2儲(chǔ)罐，它們很可能不會(huì)集成到飛機(jī)機(jī)翼上，至少在初經(jīng)典設(shè)計(jì)的版本中是這樣的，因此它們將成為必須盡可能輕的額外結(jié)構(gòu)。在這樣的儲(chǔ)罐中使用CFRP可能有點(diǎn)不切實(shí)際，但我相信這是我們長(zhǎng)期以來(lái)唯一的解決方案，而熱塑性復(fù)合材料確實(shí)可能發(fā)揮關(guān)鍵作用。”