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碳纖維復(fù)合材料制造工藝，旨在減輕儲箱質(zhì)量、提升性能，以滿足未來大推力運(yùn)載火箭的需求。該項(xiàng)目致力于研發(fā)大型輕量化結(jié)構(gòu)，從而提高太空運(yùn)輸?shù)男省?/span>
Phoebus項(xiàng)目由歐洲空間局牽頭，聯(lián)合Ariane Group與 MT 航空航天公司共同開展。項(xiàng)目核心目標(biāo)是驗(yàn)證 “用碳纖維增強(qiáng)塑料儲箱替代歐洲空間局Ariane 6號運(yùn)載火箭上面級金屬儲箱” 的可行性與優(yōu)勢。盡管這種輕量化材料有望實(shí)現(xiàn)數(shù)噸級的質(zhì)量減重，但該方案此前從未實(shí)際應(yīng)用過，面臨著重大技術(shù)挑戰(zhàn)。
目前，Phoebus項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已突破技術(shù)難關(guān)，證明了碳纖維材料可用于儲存液氧與液氫 —— 這一成果攻克了材料科學(xué)領(lǐng)域的極端難題。此前的報(bào)道已重點(diǎn)介紹了儲箱本身的研發(fā)進(jìn)展，本文則將聚焦儲箱的周邊結(jié)構(gòu)，探討碳纖維增強(qiáng)塑料在該領(lǐng)域應(yīng)用的挑戰(zhàn)與優(yōu)勢。
儲箱開口設(shè)計(jì)：不止于 “容器”
推進(jìn)劑儲箱絕非簡單的 “容器”。儲箱內(nèi)的液體需通過泵送輸送至火箭發(fā)動機(jī)，為發(fā)射提供動力；同時(shí)，傳感器需實(shí)時(shí)監(jiān)測燃料余量及其他參數(shù)。這些 “穿通元件”需貫穿儲箱的頂部與底部，而儲箱的開口設(shè)計(jì)也為清潔作業(yè)與設(shè)備安裝提供了可能。
儲箱的端蓋通過螺栓固定，但儲箱需在遠(yuǎn)低于- 100°C 的極端低溫環(huán)境下儲存液氧與液氫。在此溫度下，金屬螺栓與碳纖維材料的物理特性差異顯著：由于金屬與碳纖維對低溫的反應(yīng)不同，二者會產(chǎn)生相互牽拉作用 —— 即便存在極小的瑕疵，也可能迅速形成泄漏通道。
“從最初的概念草圖，到最終造出可實(shí)際運(yùn)行的全尺寸部件，菲伯斯項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了奇跡。” 歐洲空間局推進(jìn)系統(tǒng)工程師凱特?昂德希爾(Kate Underhill)表示，“在此過程中，我們還完成了一系列極具挑戰(zhàn)性的低溫測試 ——‘低溫’一詞雙關(guān)，既指測試環(huán)境，也體現(xiàn)了技術(shù)難度。”
德國奧格斯堡的 MT 航空航天公司已于 2025 年 7 月啟動兩款端蓋的制造工作，這些端蓋將于今年晚些時(shí)候安裝到全尺寸液氧儲箱上。
持續(xù)推進(jìn)：從儲箱到整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化
隨著儲箱與端蓋的研發(fā)逐步落地，Phoebus項(xiàng)目在 “驗(yàn)證碳纖維增強(qiáng)塑料適用于火箭儲箱” 方面取得重大進(jìn)展。這些儲箱是火箭上面級的核心部件，不僅需與發(fā)動機(jī)連接，還需提供結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以承受發(fā)射時(shí)的巨大推力。
Ariane 6 號運(yùn)載火箭上面級的發(fā)動機(jī)通過一個(gè) “推力框架”與液氧儲箱相連，儲箱至發(fā)動機(jī)的輸送管道沿該框架鋪設(shè)。Ariane Group提出了一項(xiàng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)：將燃料輸送管道整合為推力框架的一部分 —— 通過 “一物兩用” 實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的減重。
這種創(chuàng)新性推力框架已于 2024 年 12 月啟動生產(chǎn)，由德國多家供應(yīng)商協(xié)同制造；2026 年，該框架將在德國不來梅的Ariane Group工廠完成組裝。目前，該推力框架正采用全球領(lǐng)先技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，例如其中心轂體采用增材制造(3D 打印)工藝。集成管道的全尺寸演示件將于明年完工，并與菲伯斯項(xiàng)目的液氧儲箱進(jìn)行組裝適配。