国内外复合材料气瓶发展概况与标准分析(一)

于 斌，刘志栋，赵为伟，申 健，靳庆臣，栗 刚，程 彬

(1.兰州空间技术物理研究所航天压力容器研制中心，甘肃 兰州730000;2.空军驻甘肃军代表室，甘肃兰州 730000)

0 引言

相对于全金属气瓶，复合材料气瓶具有质量轻、刚度好、容器特性系数高、可靠性高、抗疲劳性能好、负载工作寿命长、疲劳循环和枪击失效模式安全、可设计性强、生产费用低、研制周期短等诸多特点，在航天、航空和民用领域得到越来越广泛的应用。

目前国外技术力量雄厚的复合材料公司拥有先进的纤维缠绕设备，在技术、人才及军品生产方面具有丰富的经验，带动了复合材料气瓶整体研制技术的发展，如美国SCI工业公司、Lincoln复合材料公司、Hydrospin公司、Kaiser复合材料公司、ARDE复合材料公司、Thiokol公司、Brunswick公司、俄罗斯依热夫斯基钢瓶有限公司、法国HM公司、韩国NK公司等。国外发达国家复合材料气瓶标准制定通过多型号复合材料气瓶研制、长时间的验证，经过多次改版，也较为成熟，在可靠性、安全性和过程控制方面的规范较为系统。

近20年来，中国复合材料气瓶的研制技术也取得很大的进步，部分产品性能也达到了国际先进水平，但是相比国外发达国家，目前中国复合材料气瓶标准相对缺乏，复合材料气瓶产品研发和设计缺少标准规范，而其标准制定工作的开展对产品研制技术的提高和产品质量的保证尤为重要。文中通过对复合材料气瓶研制进展、应用、发展趋势和标准概况的调研，分析了中国复合材料气瓶标准的形势，并提出了几点建议。

1 中国外复合材料气瓶的研制进展、应用、发展趋势及成型技术发展趋势

1.1 复合材料气瓶的研制进展

复合材料气瓶的发展始于20世纪50年代，是基于火箭发动机复合材料壳体技术，在金属壳体表面缠绕玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料。1963年用于卫星及航天复合压力容器，起初主要研制橡胶内衬玻璃纤维缠绕复合材料气瓶，后由于提高其可靠性等原因，着手研究金属内衬复合材料气瓶，以S玻璃和凯夫拉纤维复合的金属内衬轻质量压力容器逐渐取代传统的全金属气瓶。20世纪70年代，美国国家航空航天技术转向民用商业市场，美国运输部批准复合材料气瓶，采用玻纤和凯夫拉纤维生产环缠绕气瓶。20世纪80年代，其他有关国家批准复合材料气瓶用于商业市场，呼吸器成为复合材料气瓶的最大市场。20世纪80年代中期，生产出了高强度碳纤维，性能优越的碳纤维使得结构效率更高的复合材料气瓶应用于航天航空领域;20世纪90年代，压缩天然气车用瓶成为民用领域复合气瓶的主要市场之一。

中国于20世纪50年代针对“两弹一星”国防建设开展了纤维缠绕技术的研究，20世纪60年代为攻关玻璃钢固体火箭发动机壳体制造技术，更进一步地奠定了缠绕技术的基础，而后将固体火箭发动机壳体制造技术移植到复合材料气瓶的研制中，在航天航空系统得到推广应用，后又转向民用商业市场。近20年来，中国在复合材料气瓶的研制方面也取得了长足的进步，应用也越来越广泛。

1.2 复合材料气瓶的典型应用

复合材料气瓶已发展成为航空航天结构动力系统的关键组成部件之一，无论从结构重量还是从所占据的几何空间上看，都占有极高比例。

在航天领域，复合材料气瓶性能因子高和可以有效降低有效载荷的特点使其逐渐替代全金属气瓶。复合气瓶在航天领域的应用如下:SCI公司为HS2601卫星平台推进系统研制了圆柱形铝合金内衬碳纤维缠绕复合材料气瓶，工作压力28.96 MPa;Matra Marconi公司和ARDE公司联合为欧洲星2000研制了圆柱形inconel合金内衬碳纤维缠绕复合材料气瓶，工作压力31 MPa;Lincoln公司为深空计划研制了球形5086铝合金内衬T40碳纤维缠绕复合材料气瓶，工作压力34.47 MPa;Kaiser公司为氙离子推进系统研制了钛内衬T1000碳纤维缠绕锥形复合材料气瓶，工作压力17.24 MPa;Brunswick公司为 FS－1300卫星平台研制了球形6061铝合金内衬T40碳纤维缠绕复合材料气瓶，工作压力 27.58 MPa［1］。Hughes702 卫星［2］、Mitex 卫星［3］、火星探测计划［4］、Delta Ⅷ火箭上面级［5］用复合材料气瓶和宇航员 MMU 系统(Manned Maneuvering Unit)［6］如图1所示。中国复合材料气瓶在航天领域也有一定的应用［7］。

图1 复合材料气瓶在航天领域的应用

在航空领域，复合材料气瓶具有较高的可靠性、负载工作寿命长、爆破前先泄漏(LBB)和无高能量冲击碎片的枪击失效模式特点，使其逐渐替代全金属气瓶。美国SCI复合材料公司、Lincoln复合材料公司、Kaiser复合材料公司、ARDE公司为其本国的军用飞机研制了大量不同规格的复合材料气瓶，在 F－84，F－102，F－101，F－106等战机上获得了成功应用［8］。

以SCI公司为例，该公司为美国多种军机研制了多种型号的复合气瓶，内衬材料6061－T62铝合金，由碳纤维增强环氧树脂湿法缠绕成型［9］。其中ALT－531A复合气瓶用于轻型轰炸机紧急压缩系统(EPU)系统，PMEOP为38.2 MPa，安全系数为3;AC－5022A复合气瓶用于轻型飞机压缩空气引擎启动系统(PASS)，PMEOP为34.5 MPa，安全系数为2.7;ALT－383A复合气瓶用于战斗机能量贮存系统(SES)，PMEOP为21 MPa，安全系数为3。图2示出了ALT－383A气瓶形貌、SCI空军气瓶、枪击试验和火烧试验记录。

图2 美国空军用ALT－383A复合气瓶

中国航空复合材料气瓶的研制开始于20世纪60年代，在多种机型上也得到了成功应用，但军用飞机各系统的复合材料气瓶替代金属气瓶的替代比例与国外还存在一定差距，目前中国部分复合材料气瓶研制单位技术水平和所研制产品可靠性、安全性能够满足航空军用飞机用复合气瓶的技术要求。

在民用领域，复合材料气瓶的应用主要包括:压缩气体和液化气体用复合材料气瓶、车用压缩天然气气瓶、呼吸气瓶［10］。而目前车用压缩天然气气瓶具有较大的市场份额，应用车用压缩天然气气瓶是替代石油资源的新能源政策，有效降低汽车的尾气排放所造成的污染。

1.3 复合材料气瓶的发展趋势

1.3.1 航天领域

利用地图无忧软件将已结束项目任务数据导入其中(已处理掉异常数据)，按照价格区间进行分类，绘制了如下任务点的空间分布图，其中红色表示价格区间为65-67元，蓝色表示价格区间为67-70元，紫色表示价格区间为70-75元，灰色表示价格区间为80-85元，在地图上标识出这些点后，我们通过观察可以看出这些点围绕在广州、佛山、东莞、深圳四市市中心周围，并且靠近市中心价格较低，远离市中心价格较高。

1.3.1.1 轻质高强

轻质高强特点是复合材料气瓶发展的主要趋势之一，航天器高额的发射与维护费用要求航天器上的所有结构与部件具有最小的质量。航天器的质量越大，轨道维持和姿态控制的技术难度也就越大，消耗的推进剂就越多。在低地球轨道运行的航天器，由于残余大气阻力的影响，更需要频繁的进行轨道维持与姿态调整［11］。中国目前空间站项目研制已取得阶段性进展，天宫一号飞船发射入轨成功、在轨运行正常，后续的神州八号、九号、十号陆续发射，实现在轨对接，未来中国空间站的规模将会越来越大，需要的压力容器数量也就越来越多，减小压力容器质量将会极大地节约空间站的发射与维护成本。

世界发达国家均将发展航空航天动力系统用轻量化复合材料压力容器作为国家重点科研课题之一，如美国NASA的新航空研究计划和2030年前的太空探索规划，欧洲木星探索计划均将发展轻量化复合材料压力容器技术列为太空探索的关键技术之一，并对这些技术实行严密封锁［12］。

1.3.1.2 使用寿命长

(1)安全寿命长

随着人类空间探索活动的不断延伸与扩展，航天器的服役寿命越来越长。航天器设计寿命的延长对其内部的压力容器也提出了更高的寿命要求。

安全寿命(应力断裂寿命、应力破裂寿命)，即容器在一定应力载荷(恒载或变载)作用下不发生爆破失效的最长工作时间。国际空间站高压容器应力破裂寿命要求为30年。目前分析方法主要是利用统计方法描述增强纤维等材料的失效与持续承载时间之间的关系，得到增强纤维在持续载荷下的承载能力相关的长期存活寿命，以分析复合材料气瓶的应力断裂寿命。试验验证方法主要包括:高应力水平试验、大批量样品低应力水平试验、加速老化试验。

(2)疲劳寿命长

不同航天系统因其任务性质不同对压力容器循环疲劳寿命的要求也不同。循环疲劳寿命，即气瓶在交变压力载荷作用下所具有的最大循环次数，通常分为工作压力循环寿命、验证压力循环寿命以及特定压力下的循环寿命。长寿命航天器使用气瓶需要进行大量次数的介质反复充装，国际空间站高压容器疲劳寿命为22000次。纤维缠绕层的循环疲劳寿命远大于金属内衬，复合材料气瓶的疲劳性能取决于金属内衬，内衬的循环疲劳寿命依赖于内衬厚度、内衬应变范围、复合材料与内衬间的粘结、内衬厚度变化率、内衬中的裂纹等。内衬厚度还受制于加工公差、可生产性、运输问题和腐蚀防护要求等［13］。疲劳寿命分析方法:1)工作在弹性状态下的金属内衬，一般可采用传统线弹性断裂力学技术对其循环疲劳寿命进行分析;2)非线弹性断裂力学分析与寿命预测技术，利用低周疲劳理论和内衬材料的平均应变，可对纤维缠绕/金属内衬在任一压力水平下的循环疲劳寿命进行预测，如典型的是Coffin－Manson低循环理论［14］。

1.3.1.3 可靠性、安全性高

复合材料气瓶是航天器的危险性关键部件，内部贮存有很高的能量，一旦发生脆性断裂失效而产生爆破。因此，应保证具有较高的可靠性和爆破前先泄漏(LBB)的安全疲劳失效模式。

Brunswick研制了球形铝内衬碳纤维缠绕复合材料气瓶，并进行了LBB失效模式试验，气瓶疲劳至破坏，图3示出气瓶内衬截面显示内衬裂纹扩展情况［15］。

图3 爆破前先泄漏的疲劳安全失效模式

美国PSI公司为ETSⅧ空间飞船氙气推进系统研制了TC4钛合金内衬T1000碳纤维缠绕复合材料氙气瓶，通过金属内衬预制缺陷方法验证了气瓶满足LBB失效模式的要求，气瓶疲劳至167次时，从预制缺陷处裂纹起裂，如图4(c)所示，内衬破坏，气瓶无爆破，满足 LBB模式要求［16］。金属内衬预制裂纹缺陷采用激光切口(Laser notch)工艺，典型裂纹深度约 0.4 mm［17］。实现LBB安全疲劳失效模式所需的两个必要条件:(1)复合层疲劳循环寿命要远大于内衬疲劳循环寿命;(2)复合材料层能够继续承受当内衬发生不稳定裂纹增长时迅速转移的原内衬负载。

图4 金属预制缺陷疲劳LBB失效模式验证

1.3.2 航空领域

航空系统用复合材料气瓶的发展趋势为轻质高强、安全寿命和疲劳寿命长、可靠性、安全性高、环境适应性能优异等特点。其中安全性设计应包括爆破前先泄漏的失效模式、无高能量冲击碎片的枪击失效模式。兰州空间技术物理研究所为航空系统研制了两种型号的复合材料气瓶，气瓶充气至21 MPa，被初速度大于860 m/s、直径23 mm的穿甲弹击中后，气瓶未爆破也未产生碎片，中弹后气瓶失效模式安全。图5示出气瓶中弹后的形貌照片。

图5 无高能量冲击碎片的枪击安全失效模式

1.3.3 民用领域

在保证气瓶性能的前提下，开发复合材料气瓶低成本制造技术是气瓶企业快速发展的主要途径，低成本生产技术包括原材料、金属内衬成型工艺、纤维树脂复合工艺和质量控制等方面。

提高可靠性、安全性也是民用复合材料气瓶发展的主要趋势，复合材料气瓶可靠性、安全性取决于金属内衬和复合层，金属内衬技术较为成熟，而复合材料缠绕设计工艺技术仍在不断发展中。目前民用缠绕纤维主要采用玻璃纤维和芳纶纤维，根据我国实际国情，绩优高强纤维如碳纤维尚不如人意，需依赖进口而且价格昂贵尚不能普及到民用领域。目前大量生产的纤维缠绕气瓶主要是使用玻璃纤维增强树脂以湿法缠绕生产，原材料成本较低，工艺技术成熟，市场占有率较高。

针对碳纤维缠绕民用气瓶，从先进复合材料应用发展来看，碳纤维复合材料的价格和效费比等分析比较，采用大丝束碳纤维将是今后先进复合材料降低成本的主要措施之一［18］。CNG－4型全复合材料气瓶具有重量轻和制造成本低的特点，主要缺点是气瓶抗外部冲击损伤能力较低、气密性差;相比较，CNG－3型金属内衬纤维缠绕复合材料气瓶安全性更高，目前主要采用焊接钢内衬或无缝旋压铝内衬，由于性能和价格等原因，目前国内外CNG－3型气瓶生产和销售远远超过CNG－4型气瓶。结合中国现有水平，研制、开发、生产金属内衬复合材料气瓶是更可靠、更现实的一个技术路线。

1.4 复合材料气瓶复合材料成型工艺发展趋势

复合材料气瓶复合材料成型发展趋势大致分为以下几个方面:(1)多工艺复合化的纤维缠绕工艺，如纤维缠绕与带铺放工艺、拉挤工艺的结合;(2)热塑性树脂缠绕工艺发展，如利用其良好的力学性能和耐高温性;(3)新型固化技术，如红外加热、微波加热、火焰加热、电子束固化等技术可缩短固化周期，减少残余应力，提高复合材料力学、物理性能，降低成本;(4)在线固化监测技术，如超声技术和光纤传感技术;(5)配备高精密张力控制系统的纤维缠绕设备，精确控制树脂含量，使纤维在芯模上按规定线型严格排列。精密张力控制系统可获得适当和平稳的张力，能够增强纤维构件承受内压的能力，提高其抗疲劳特性;(6)CAD，CAM和仿真技术与传统纤维缠绕工艺相结合，大大减少人工繁琐的计算工作，提供多种设计方案，缩短设计周期，保证纤维按最佳线型进行缠绕，提高产品质量和成品率;(7)机器人与缠绕机相结合，机器人用于纤维缠绕具有自由度多、运动灵活、工艺范围宽等优点［19］。

2 复合材料气瓶标准发展概况

2.1 航天领域

空间系统各类航天器和空间运载器对气瓶类压力容器的需求非常广泛和普遍，如推进系统、流体管理系统、环境控制与生命保障系统和科学实验或商业实验系统需要大量的气瓶来维持其各系统的正常工作。

20世纪50，60年代，空间用金属气瓶研制参照MIL－R－8573A，空间用金属内衬复合材料气瓶设计参照MIL－T－25363D，随着材料和制造工艺的快速发展，空间用金属内衬复合材料气瓶设计标准替换为MIL－C－24604。截至20世纪70年代，航天用金属气瓶和复合材料气瓶设计、分析和鉴定检验均参照美国空军(AF)制定的MIL－STD－1522《加压导弹和航天系统安全设计系统和操作的总要求标准》。该标准于1984年被修订为 MIL－STD －1522A［20］，使其更规范化和严格控制金属气瓶断裂失效，并增加了安全性相关条款，而后MIL－STD－1522A成为世界航天领域最为普遍应用的气瓶标准。随着航天系统对可靠性、安全性要求的提高，复合材料气瓶(复合材料气瓶)在航天领域大量应用，用MIL－STD－1522A指导航天复合材料气瓶的研制明显力不从心，如金属气瓶结构设计和气瓶配套设备技术要求不够详细，碳纤维气瓶抗冲击损伤设计、玻璃纤维和芳纶纤维应力断裂寿命分析、爆破前先泄漏(LBB)失效模式、复合材料气瓶无损检测评价(NDI)等要求没有涵盖。

1993年，AF和空间与火箭系统中心(SMC)下达任务对MIL－STD－1522A进行修订，但由于空军改革的原因，SMC取消了该项标准修订在内的大量军用标准规范的修订计划。1996年，美国航天和星际航空协会(AIAA)接管了MIL－STD－1522A标准的修订任务，并成立了航天压力容器标准委员会(APVSWG)，制定首部标准为ANSI/AIAA S－080《空间用金属压力容器及附件》［21］，该标准于1998年12月通过 IAAA结构委员会认可，于1999年1月出版。该标准对空间用金属气瓶的系统分析、结构设计、材料选择、安全性、生产及工艺控制、鉴定检验、操作和维修均作了明确规定，气瓶安全系数≥1.5。

1996年，APVSWG开始制定航天用复合材料气瓶专用规范ANSI/AIAA S－081《空间用复合材料压力容器》［22］，于2000年出版。S－081规定对于存贮非有害介质的复合材料气瓶内衬安全设计，可根据LBB安全失效模式或者安全寿命进行设计。而单独根据LBB安全失效模式进行设计，少数卫星和火箭用复合材料气瓶在验收试验或执行任务过程中发生复合材料气瓶泄漏事故，表明气瓶安全设计除包括LBB模式设计，同时还应包括气瓶安全寿命设计［23］。经过APVSWG研究讨论，最终决定将S－081修订为S－081A，对机械损伤控制和应力断裂寿命要求进行了修订，增加了预发射检测、压力检测和数据保留要求，ANSI/AIAA S－081A于2006年出版［24］。该标准规定对碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维缠绕气瓶的安全系数最小值分别为1.5，1.65 和2.25。当 N ＞2 时，PT=(1+N)PMEOP/2;当 N≤2 时，PT=1.5PMEOP，且PT≤0.8Pb，对于工作状态下处于弹性状态的内衬设计参照S－080，反之参照S－081A(其中，N为安全系数、PT为验证压力、PMEOP为最大预期工作压力、Pb为爆破压力)。

S－081A标准对材料选择、安全设计提供了全面的宏观指导，要求选用A－基材料制备全尺寸复合气瓶(FSCOPV)的性能试验以确定纤维增强树脂的断裂强度，对复合材料气瓶机械损伤控制、冲击损伤容限、复合材料强度设计、无损检测技术、爆破前先泄漏失效模式、性能和功能试验进行详细的规定。

国际标准化组织(ISO)于2003年批准了一套标准:ISO 14623《空间用压力容器设计与操作》［25］，其适用于空间用金属气瓶和金属内衬复合材料气瓶的研制，规定复合材料气瓶安全系数不小于1.5，应力断裂失效存活概率不低于0.999，对于安全系数小于 4.0且壁厚小于 6.35 mm的复合材料气瓶需进行系统的损伤控制设计。AIAA－S110《空间系统结构与结构组件、附件》规定机械零部件的承受压力、机械载荷和热载荷的安全系数为 1.25［26］。ASTM D2992 标准是为确定玻璃纤维管寿命而开发的一种寿命分析方法，包括疲劳循环寿命和应力破裂寿命的确定方法，也适用于压力容器，国外航天用玻璃纤维缠绕气瓶寿命分析也参照该标准。2006年，NRL和ARDE联合为DeltaⅡ火箭上面级研制的D4929复合材料氦气瓶的洁净度要求参考MIL－STD－1246，等级为100A。

中国航天43所针对金属内衬芳纶纤维缠绕球形压力容器制定了GJB 2371—1995《芳纶复合材料球形容器规范》，规定N≥2，金属内衬可选择钛、铝合金，电子束焊接连接，规定了芳纶纤维力学性能及试验方法。