复合材料缠绕氙气瓶研制技术

王祥龙，程 彬，刘志栋

(兰州空间技术物理研究所，兰州 730000)

复合材料缠绕氙气瓶研制技术

王祥龙，程 彬，刘志栋

(兰州空间技术物理研究所，兰州 730000)

目前我国电推进技术在航天领域取得了很大的进展，具有广阔的应用前景，作为电推进技术的一项关键产品，氙气瓶为电推进技术贮存和提供燃料——氙气，除要求具备航天用气瓶的质量轻、强度高和爆破前先泄漏安全失效模式外，同时要求其具有高可靠性和长寿命特点。本文从产品性能、设计和试验等方面阐述了某复合材料氙气瓶的研制情况，提出了内衬和复合层的选材要求，对内衬结构和复合层强度进行了设计，并对氙气瓶的试验进行了描述。

电推进；氙气瓶；纤维缠绕；金属内衬；结构设计

1 引 言

空间电推进技术具有高比冲、小推力、长寿命等特点。在航天器控制、深空探测和载人航天等领域有广泛的应用前景。国外在上世纪已经在航天器上成功应用，国内从上世纪开始研究，近年来取得了很大的进展。氙气瓶作为电推进技术的贮能设备，其性能的优劣对电推进技术有很大影响，和航天器用的其他气瓶一样，氙气瓶必须具有质量轻、强度高和爆破前先泄漏安全失效模式等特点,同时由于电推进工作周期长，要求氙气瓶必须具有较长的工作寿命，国内目前要求为15～20年。本文阐述了某氙气瓶的研制情况。

2 气瓶设计设计指标

气瓶的主要指标如下：

(1)工作介质：氙气；

(2)额定工作压力：15 MPa(20℃下)；

(3)气瓶质量：≤10 kg(不含工作介质)；

(4)强度试验压力：22.5 MPa；

(5)爆破压力：≥30 MPa；

(6)外漏率：工作压力下不大于1.0×10-7Pa·m3/s；

(7)疲劳次数：额定工况下，用水压反复加排水次数不小于100次。

3 气瓶设计

电推进工作时间长，需求的氙气量较大，氙气的贮存通常采用高压贮存模式，由于复合材料气瓶比金属气瓶具有较高的承载能力，因此，氙气瓶采用复合材料气瓶结构，由内衬和复合层两部分组成。内衬的功能主要是包容氙气，防止氙气泄漏；并作为缠绕芯模,同时提供对外接口和界面。复合层的功能主要是承担氙气瓶的内压载荷。

3.1 气瓶内衬设计

内衬常见形式有金属内衬、橡胶内衬、塑料内衬。同样厚度的情况下橡胶、塑料较之金属材料，密度小、质量轻，且材料成本低、耐腐蚀、疲劳性能好，但橡胶和塑料在高压下的透气性较高，无法满足气瓶的气密性要求。

通常可作为复合材料压力容器内衬材料的金属有铝合金、不锈钢、钛及钛合金、Monel合金(Ni-Cu合金)及Inconel合金(Ni-Cr合金)等。对高循环寿命应用,一般可采用屈服强度较高的钛合金和不锈钢等材料,工作时其内衬应变处于弹性范围；对低循环寿命应用,一般可采用铝合金或纯钛超薄材料,工作时其应变处于塑性范围[1]。实际上,内衬材料的选择往往是多种需求综合的结果。可根据以下特点进行选择[2]：

(1)密度低，比屈服强度和比极限强度高；

(2)与工作介质相容性好；

(3)低周疲劳特性和高周疲劳特性好；

(4)抗裂纹增长性能好,以保证寿命；

(5)焊接性能好；

(6)加工、成型性能好。内衬的结构通常为不规则形状，对气瓶在使用中引起二次应力，并产生较大的应力集中，容易造成气瓶在较低的应力下发生失效，因此，内衬材料必须具有良好的加工性能；

(7)抗腐蚀性好。

氙气作为惰性气体，其化学性能很稳定，与常用的内衬材料均有良好的相容性，根据其他复合材料气瓶的研制经验，本次氙气瓶内衬材料选用工业纯钛，其中柱段和封头采用塑性较好的TA1,接头采用具有一定塑性，并且强度较高的TA3。复合材料高压气瓶内衬材料参数见表1。

表1 复合材料高压气瓶内衬材料参数

3.2 内衬结构设计

内衬由接头、气口端封头、筒段、密封端封头和密封端接头五部分组成，具体结构如图1所示。为了提高气瓶的性能，充分发挥纤维的左右，内衬通常设计为长圆柱型薄壁结构，内衬壁厚根据机械加工能力、气瓶疲劳寿命、复合层缠绕工艺等确定内衬的基础壁厚。

图1 氙气瓶内衬结构图

3.2.1 气瓶接头结构设计

接头结构设计主要包括强度设计和疲劳设计两种方式，由于气瓶接头附件纤维无法缠绕，气瓶内压全部由金属程度，在接头与纤维分界面上，接头主要承担剪应力作用，可根据内压确定接头肩部厚度和形状。

3.2.2 封头结构设计

在复合材料气瓶设计中，封头结构形式和形面的设计十分重要，气瓶的失效大多数是在气瓶封头及接口等薄弱环节发生。封头设计时根据封头是单极孔或者双极孔、两端极孔的开口尺寸、纤维缠绕的线形以及疲劳寿命的要求来共同确定。

封头结构有椭球面缠绕封头、等张力封头、平面缠绕封头等。等张力封头在均匀内压下封头各点纤维应力都相等，且等于筒身螺旋缠绕纤维应力，纤维强度可以得到最充分的利用，所以氙气瓶在设计中内衬两端封头均采用等张力封头结构。

封头曲面对应的旋转母线由等张力曲线方程(1)给出，其中r为径向坐标，x0为内衬极孔直径与纬度圆直径的比值。

(1)

Rθmax=R/sin2α0

(2)

sinα0=r0/R

(3)

3.3 气瓶复合层设计

3.3.1 复合层材料选择

纤维是复合材料的主要承载部分，承担绝大部分的压力载荷。对增强纤维材料的要求是[2]:

(1)高强度和高模量,低密度；强度越高表明纤维承受载荷能力越强，就越能发挥增强作用；而高模量是保证结构稳定性必须的。密度越低，复合产品质量轻；

(2)树脂浸润性好；

(3)具有良好的缠绕工艺性,纤维束松紧均匀等。

通常采用的增强材料有玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维等，可根据气瓶性能、使用环境等进行选择[3]，由于碳纤维抗拉强度高，对气瓶的减重效果明显，并且碳纤维在15年～20年的时间内性能下降较小，同时碳纤维受空间辐照的影响较小，根据国外文献调研，在工作寿命末期，碳纤维的承载能力下降不会超过10%，因此，本次气瓶研制纤维选用碳纤维T1000，具体参数见表2。

表2 复合材料高压气瓶碳纤维材料参数

复合材料的主要力学性能取决于纤维材料，但对于某些性能，如剪切性能、老化性能和热性能等，基体材料起主要作用，基体材料起粘结纤维的作用,以剪切力的形式向纤维传递载荷,并保护纤维免受外界环境的损伤。基体材料应和纤维具有较好的相容性，并具有良好的抗氧化、耐老化性能。同时，基体材料决定复合材料成型的工艺方法及工艺参数的选择，保护纤维免受各种损伤。在航天复合材料气瓶研制中，基体材料通常选用环氧树脂。

3.3.2 复合层设计

气瓶复合层设计包括复合层强度设计、缠绕线形和铺层顺序的确定。纤维的缠绕线型包括环向缠绕、螺旋缠绕、平面缠绕等几种方式。其中圆柱段有环向缠绕、螺旋缠绕和纵向缠绕3种方式，由此可构成4种主要的组合线型：①单螺旋缠绕；②螺旋缠绕加环向缠绕；③螺旋缠绕加平面缠绕；④环向缠绕加平面缠绕。封头缠绕既可采取螺旋缠绕，也可采用平面缠绕，具体采取何种线型取决于内衬的结构形式，如封头形状、极孔尺寸、内衬长径比等。圆柱形气瓶的纤维缠绕层,一般采用螺旋或平面加环向的双轴缠绕方法。通过合理选择纵向、环向纤维缠绕层的厚度和纵向纤维缠绕角,可以减小气瓶的质量,使壳体承受较大的内压载荷,产生较小的变形，提高气瓶的性能。

由网络理论，气瓶在内压作用下纵向和环向缠绕圆筒的平衡平衡方程为：

(4)

σαhαsin2α+σθhθ=Rp

(5)

式中，σα、σθ分别为圆筒纵向和环向纤维层应力；hα、hθ分别为圆筒纵向和环向纤维层厚度；α为纵向缠绕角；R为圆筒半径；p为内压强。

缠绕角α的大小取决于内衬极孔直径与维度圆直径的比值，即缠绕角α=arcsin(d0/D)，其中d0为内衬极孔直径，D为维度圆直径。

根据气瓶的形状(外径、封头形式等)及性能(压力、疲劳次数等)要求，氙气瓶复合层设计结果如表3所示。

表3 复合层设计结果

缠绕时采用湿法缠绕成型方式，纵向缠绕时采用变角度、极孔包络圈逐渐扩大的缠绕方式，避免纤维在封头部位架空和过度堆积，为了避免外层纤维的张力作用使内层出现松弛，缠绕时缠绕张力逐渐递减[4]。

4 试验验证

气瓶制造完成后对其性能进行了试验验证，主要包括压力试验，环境试验等。气瓶照片如图2所示。

(1)压力试验 压力试验验证系统满足压力、泄漏等性能要求的能力,验证压力为最大工作压力的1.5倍,保持时间10min,然后卸压。压力循环为产品从0MPa加压到试验压力(通常为最大工作压力)然后再卸压到0MPa为一次完整的试验，试验次数为100次。压力循环后如果气瓶不爆破,则继续加压直至爆破。压力试验时产品不得有泄漏和明显的变形，加压时速度要缓慢以消除动力应力，卸压时要求气瓶不得结霜。

图2 气瓶照片

(2)环境试验 环境试验包括热环境试验和力学环境试验。验证气瓶在试验环境(如温度、湿度、振动、冲击、加速度等) 后,能够满足任务要求的强度和刚度要求。

5 结束语

随着电推进技术的发展，对氙气的需求量越来

越大，氙气瓶的容积也将随之扩大，工作寿命进一步延长，同时纤维性能的衰退，空间辐照对氙气瓶的影响也将加大，这些因素都将对氙气瓶设计造成很大的困难，本文以某氙气瓶为例，设计了一种复合材料氙气瓶，为后续较大容积氙气瓶设计提供一定的借鉴作用。

[1] 晏飞，赵和明.纤维缠绕金属内衬压力容器的设计和分析技术[J].上海航天，2004(4):54-59.

[2] 张天平.空间应用复合材料压力容器研制技术[J].上海航天，2002(1):54-62.

[3] 林再文，李涛，孙浩伟，等.几种纤维复合材料压力容器的性能对比研究[J].纤维复合材料，2005，22(1):21-22.

[4] 魏喜龙，马国峰，苏峰，等.纤维缠绕压力容器最佳预应力与缠绕张力关系研究[J].纤维复合材料，2011,28(3):22-25.

The Techniques to Develop the Composite Xenon Vessel

WANG Xianglong, CHENG Bin, LIU Zhidong

(Lanzhou Institute of Physics, Lanzhou Gansu 730000, China )

At present. The electric propulsion technology of our country have been made great progress in the field of aerospace, and has broad application prospects. As electric propulsion technology a key products, the xenon vessel for electric propulsion technology to store and provide the fuel, Besides the required space vessel’s light weight, high strength and stress leak before burst mode, the xenon vessel has high reliability and long life characteristics. This paper describes the development techniques of composite pressure vessel from the performance, design and test. The material selection requirement of metal liner, composite for vessel was proposed. Design the structure of the liner, composite and test of xenon vessel.

electric propulsion; xenon vessel; filament winding; metal liner; structure design

2014-10-15)

王祥龙(1976-)，男，甘肃人，工学硕士，工程师。主要研究方向：航天压力容器设计与分析。E-mail：wxlwxl818@163.com.