抗毁性能最小化,航天任务完美化

作者:Ginger Gardiner 文章来源:High-Performance Composites 发布时间:2014-01-07

碳纤维复合材料设计和制造方面的灵活性在首个返回时可完全摧毁的飞船燃料箱中得到了完美的诠释。采用该材料制造的燃料箱不仅可提高任务效率,还能将碎片数量降至很低。目前,该可完全摧毁的飞船燃料箱已被装在将于2014年发射的GPM核心卫星上。

对抗毁性能最小化的需求

2008年,美国海军花费数千万美元摧毁了一颗重达2268kg的卫星(NROL-21),它已失去了动力,被拦截后很快坠落到地球上。该卫星里面有危险燃料,虽然美国国家航空航天局(NASA)已经与其合作伙伴制定了国际协定和政策,以减少空间碎片坠落的威胁,但是这一事件仍给全球的空间机构和广大公众平添了一份紧张感。

对此,美国航天局戈达德太空飞行中心的首席工程师Robert H.Estes说:“此次事件表明,我们有必要开发一些用于处置飞船的方法,而做到这一点的理想方式就是在飞船重返时烧蚀飞船。该方法能将可能损害人或环境的碎片数量降至很低。”因此,当戈达德中心开始在全球降水测量(GPM)核心卫星上开展相关工作时,可摧毁性便成为了一个关键的设计要求——即在卫星返回时使其结构的抗毁性最小化。


图1 用于GPM核心卫星的Cobham可摧毁燃料箱(插图来自Karl Reque)

事实上,除地面安全外,飞船的可摧毁性可提供很多其他的好处。通常情况下,如果一艘飞船必须被摧毁,它在返回过程中仍然可以受到控制,但是一艘完全可摧毁的飞船在返回时不需要推进剂,如此一来飞船的推进系统可以简化或淘汰,飞船能够留在轨道上,直到它的推进剂消耗完。通过延长任务的时间,减少卫星更换的频率,消除控制返回的计划、培训和应急操作等,可提高卫星的整体成本效益。虽然GPM核心卫星不是完全可摧毁的(它是低碎片飞船,在返回控制过程中需要一些推进剂),但是它的燃料箱却可以。

“大约在10年前,我们便开始探索如何开发一种可摧毁的燃料箱。”美国航空航天局负责GPM燃料箱工作的Estes介绍说。初步分析表明,采用传统的钛或不锈钢材料制造燃料箱时,无论这些材料是作为一个整体材料使用还是作为复合材料包层的压力容器(COPV)的内衬使用,它们都不会被摧毁,但是包层的铝内衬却可以。根据GPM的设计要求,美国航空航天局签约了4家供应商,生产各种能实现的、可用于飞行的燃料箱。其中,Cobham Life Support公司(以下简称“Cobham公司”)是一家自John Glenn以来一直为美国宇航员提供呼吸和生命支持设备的供应商。该公司赢得了签约资格,帮助美国航空航天局完成设计,并制造符合设计要求的燃料箱。Cobham公司工作的起点是一个薄的(<1.27mm)6061-T62铝内衬,该内衬用EPON 862双酚F增韧环氧树脂浸渍的T1000碳纤维包层,平均厚度为0.28mm。选用这些材料是因为它们已经具备空间应用的资格并拥有成功的应用历史。

Cobham公司的业务经理Robert Grande表示,这是一个传统的材料组合,在消防员呼吸箱中得到了广泛的应用,但是铝从未在飞船上的推进剂管理装置(PMD)中使用过,因此该组合仍面临着挑战。PMD是一种低重力芯,它通过表面张力收集推进剂并将其吸收至箱子出口。Cobham公司经研究发现,采用适当的表面处理,可使作为PMD材料的铝发挥良好的作用。但是,作为单一的箱体材料,铝不能满足可摧毁性、加压、结构载荷和重量方面的要求,因此为了使可摧毁性的铝内衬在足够薄的同时具备优异的性能,该设计还需要一层复合材料包层。


图2 Cobham公司和美国航空航天局戈达德太空飞行中心共同开发的飞船燃料箱。按照设计,它在返回时能解体,是第一个使用碳纤维复合材料包层铝内衬的飞船燃料箱(以下图片均来自Cobham公司)

包层的设计

传统上,包层常采用纤维缠绕和烘箱固化,但是该可摧毁燃料箱有独特的设计要求,因此缠绕过程仍面临着新的挑战。“该燃料箱必须承受燃料重量所产生的应力和箱体的压力。”工程经理Rich Pemberton说,“而且碳纤维中的应力和铝衬套中的应力之间还要保持微妙的平衡,以确保燃料箱在具备足够的疲劳寿命和爆裂强度的同时仍足够薄,以满足重量和可摧毁性的要求。”

Cobham公司的解决方案是对包层量身订制,以实现应力优化,并在避免增加不必要材料的情况下达到足够的爆裂强度。当设计成熟时,包层的可裁剪性也为其他问题提供了解决方案。Pemberton举例说:“成型和焊接金属内衬往往会导致不可忽视的应力集中,但它们对于性能或可制造性而言又是必须的。对此,我们的解决办法是在关键的区域添加少量的碳纤维。例如,在轴套建立控制或在焊缝区域添加环缠绕,以减少应变,降低断裂的危险性,并确保箱体的疲劳寿命。”

值得一提的是,由于不能在压力容器上钻打紧固件孔,因此燃料箱通常通过裙部和飞船连接,即裙部和箱体相连,然后通过机械紧固到飞船上。“我们需要一种具有足够的刚性且轻巧的连接手段。该连接手段要能满足45kg的整体燃料箱总成重量,并能够在裙部的通力合作下把所有箱体的重量和负载传到卫星上。”Pemberton说。

微型裙部的设计

据Pemberton介绍,复合材料使Cobham公司的裙部设计成为可能有以下几个原因。首先,裙部必须和燃料箱外部的刚度匹配。而与复合材料相比,采用铝或钛更难实现此要求,特别是还存在质量方面的限制。此外,由于具有铺层的结构,复合材料制造的裙部几乎可以形成任何的形状。当然,常规的箱体裙部是具有恒定直径的直圆筒,但Cobham公司在此基础上设计出了一种新颖的锥形部分。Pemberton说:“虽然这种结构的裙部使设计和制造复杂化了,但根据质量、空间和体积的要求,该设计提供了一个漂亮的解决方案。我们可以控制裙部的几何形状,这能使飞船的外形更简单,从整体成本和项目进度的角度上来看,这绝对是可取的。”


图3 缠绕过程经过精心设计与订制,以优化应力、获得所需要的爆裂强度,避免增加不必要的材料。在这里,缠绕从低角度螺旋过程开始

针对这种创新型裙部设计,Cobham公司采用单向预浸料胚来满足比刚度的要求,但包覆并形成锥形部分并确保其不起皱折是比较困难的。裙部铺层是对称且准各向同性的,从螺栓插入处的48层到箱体粘结界面处24层之间的变化,需要大约1200个部件的精确放置。“这些部件要围绕圆周弯曲并斜靠锥形。”Pemberton解释说, “我们凭借手工计算和经验,开发了必需的层形状,它能防止起皱并将扭曲降到最低。”另外,在第一层、第三层以及其后最少每隔12层的位置使用真空压实,也能起到一定的帮助作用。Pemberton说:“复合材料还使我们能够订制裙部环向的模量,使它足以承受箱体增压的载荷、起到带的作用,同时确保模量不会高到要压碎箱体。”

裙部的可裁剪性使燃料箱满足了一个关键的发射要求:组件的固有频率不得促成飞船的振动。Estes指出:“这个突出的性能优势成为了复合材料的一大亮点。因为在计划的后面,对振动的要求会有变化,这显著提高了对最低固有频率的要求。如果采用铝或钛来满足这样的设计变化,就要抛弃已开发的模具,重新开始。但采用复合材料并对其厚度和铺层进行调整,就可以使这些变化需求得到满足。”

智能分析

据Grande介绍, Cobham公司取得的重大成果之一是在项目进行过程中从未出现过大的重新设计或失败,这在某种程度上取决于他们的开发理念。他解释说:“我们在设计中选择引进新颖的解决方案,而不是材料和工艺,且我们在计算机辅助工程方面也具有很高的效率。”


图4 碳纤维/环氧树脂的裙部铺层需要大约1200个单层预浸料件,才可获得其最终的复杂形状

Cobham公司的研发过程是从封闭式计算机辅助计算或“手工计算”开始的,对此Grande解释说:“有限元分析(FEA)只用作数据送入,这避免了容易犯的错误,使我们在载荷、几何形状和边界等方面打下良好的基础。”Pemberton补充道:“然后,我们可以把手工计算和有限元分析的结果进行比较。这是一个关键的步骤,却被很多企业忽视了。实际上,为了在设计过程中达到整体效率,这两项数据内容必须有良好的相关性。”

Cobham公司还简化了开发材料性能的统计方法,在整个开发过程中尽可能早地把应变片装在部件上,从而使计算机模型能够用真实的性能升级,并随着设计的进展,不断地进行验证。Grande总结道:“最终,我们几乎将所需要的破坏性试验数量减少了一半,节省了数月的时间和大约50万美元。”


图5 用来切割裙部铺层的模板

Estes把这些归功于一个因素:Cobham公司很独特,因为这家公司第一天做分析,第二天手工铺层裙部部分,接着应用应变仪,然后进行应力/应变测试。正是如此,做设计的人看到了制造、材料性能和结构性能之间的关系,这不仅提高了分析的效率,还使他们更易专注于关键的地方。

未来的燃料箱

通过振动和无损防爆裂测试的验证后,这款可摧毁的燃料箱已经被装在将于2014年发射的GPM核心卫星上。Grande说:“通过使用这种可摧毁的设计,未来燃料箱的寿命将从5年增加到7年,甚至10年,飞船每次投资所收集的数据量也可以增加一倍。”

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