【热点聚焦】欧洲航天局火箭用V型无内衬碳纤维低温燃料箱取得新进展

重量轻但超级坚固、极其坚硬、柔韧且耐腐蚀、非常适合复杂形状，所有这些优异特性均来自碳纤维，像网球拍、自行车、赛车和客机只是广泛依赖这种神奇材料的少数产品。

毋庸置疑，由于碳纤维的存在，现代火箭的性能也有所提高。更确切地说，碳纤维增强塑料（CFRP）作为一种使用超强碳纤维对粘合树脂进行增强得到的复合材料是减少火箭质量，从而增加其可携带有效载荷质量的好方法。阿丽亚娜6号和织女星-C都携带CFRP有效载荷整流罩，作为阿丽亚娜6号助推器和织女星c第一级的P120C固体燃料火箭发动机的机身是世界上最大的单件式碳纤维增强材料结构之一。

但是，CFRP在火箭结构中能走得更远，并取代火箭低温燃料箱中的金属结构吗？这就是欧洲航空航天局（ESA）Phoebus计划的目标，该计划旨在生产碳纤维的上层储罐和结构，根据最新的测试结果纤维CFRP低温燃料箱已通过测试。

理论上，基于Phoebus技术的上一级设计的轻量化足以为阿丽亚娜6号火箭的有效载荷性能增加约1500公斤。这种减少源于CFRP本身固有的轻质性及其巨大的设计灵活性，这使得能够生产出具有新颖形状和比金属结构更少零件的结构,生产成本也可以更低。

MT Aerospace和Ariane Group于2019年5月14日与欧空局签署了开发Phoebus的合同，Phoebus是一种高度优化的黑色上级结构，其火箭末级通常由铝制成，但改用碳纤维复合材料可以降低成本，并可产生两吨的备用有效载荷容量

根据设计原则可以制造防泄漏CFRP储罐后，欧空局通过其未来发射器准备计划，于2022年与Ariane Group和MT Aerospace签订合同，从早期设计研究到低温上层储罐和结构的生产和测试。

在2023年下半年，Phoebus经历了一系列难度越来越大的测试。目标是将一个中等规模的氧气罐暴露在几乎实际发射的热负荷和机械负荷下。第一次测试在德国MT Aerospace进行，该公司与ArianeGroup合作设计和制造了该储罐。

MT Aerospace测试了由CFRP制成的小型氧化剂罐的强度。在这些测试过程中，对氧气罐进行多次充水和排水，加压超过操作极限，并进行冲击测试，以确保氧气罐不会发生点火事件。试验表明：轻质CFRP足够坚固，可以取代火箭末级结构中使用的金属

首先是10月份的氦气测试：传统的金属储罐在室温下用氦气进行泄漏测试。如果CFRP储罐能够通过这项测试，那么这既表明“无衬里”防漏CFRP罐的基本概念是可行的，也表明它可以进行更深入的测试。

接下来是同样在10月进行的低温压力测试：在-196°C的温度下和13巴（海平面地球平均大气压力的13倍）的压力下，储罐在充满液氮的情况下将其固定在一起，超过了作为真正的火箭储罐所需承受的应力。

欧空局未来发射器项目的上层和推进演示项目经理Kate Underhill表示，了解CFRP罐在这些冷却测试中的热性能也很重要。液氢必须保持在-253°C，否则它会沸腾成气体，而氧气在储罐中保持在-183°C。CFRP的导热性不如铝，因此储罐冷却所需的时间更长，储罐的温度图也不同，与液体推进剂不接触的部件比金属储罐更热。

Phoebus团队安装并测试了一种新的方法，可以测量火箭在飞行过程中燃烧时燃料箱中的推进剂含量。利用电容层析成像技术测试表面，这种方法比目前的液位传感器更精确，而且它们可以被整合到未来的火箭中，以减少为弥补测量误差而需要携带的额外燃料量。

接下来是最微妙的部分是液氧测试。由于这个测试如果出了问题可能会很危险，所以在2023年12月，Phoebus被转移到德国Unterlüß的Rheinmetall军事测试场，这里最适合处理潜在的严重火灾！

使用CFRP作为燃料箱的最大挑战之一是碳纤维复合材料与氧气的化学反应性很强。因此，需要仔细选择树脂和纤维材料，同时始终关注所选树脂和纤维的潜在密封性。

“Phoebus进展顺利，氧气罐测试取得了圆满成功，氧气罐完美地将其固定在一起——没有起火，没有爆炸。”Kate说，“遗憾的是，我们的小罐的考验和磨炼还没有结束。它已经被运回MT Aerospace，在那里它将被推拉同时也被加压，以模拟发射器飞行的复杂条件。然后，这个CFRP罐将在实验室中被切开进行详细检查。”

DLR Lampoldshausen的P5测试设施

CFRP氧气罐概念的下一步是制造一个直径近4米的全尺寸版本，以匹配Ariane 6的尺寸。随后将在德国航空航天局（DLR）位于Lampoldshausen的推进试验场进行CFRP储罐测试。项目最终目标是在阿丽亚娜6号的新一级上使用这种储罐和结构，从而比现有的金属储罐更轻、更便宜。