一种卫星推进分系统复合材料氦气瓶的结构设计方法

为了提高航天复合材料压力容器的性能因子,根据复合材料压力容器网络理论方法提出了“参数对应关系”结构设计方法,对一种卫星推进分系统复合材料氦气瓶进行了结构设计,确定了纤维复合层承载压力,得到了不同内衬壁厚情况下气瓶纤维预紧应力与内衬压缩应力、内衬工作应力、纤维工作应力的对应关系,获得了内衬最小壁厚和纤维预紧应力区间等参数,用有限元法对气瓶结构设计进行静力学分析校核,所设计气瓶完成了全部的鉴定试验,气瓶性能因子37km,爆破压力70MPa,纤维预紧应力区间为[120MPa,270MPa].设计和验证结果表明:基于网络理论的“参数对应关系”结构设计方法可用于弹性工作金属内衬复合气瓶的研制,内衬最小壁厚的精确求解对提高复合材料气瓶性能因子是有效的.     

复合材料气瓶铝内衬缺陷对疲劳及爆破性能的影响

研究了复合材料气瓶在生产过程中金属内衬存在的凹坑、裂纹以及腐蚀等的缺陷类型,并且对存有以上缺陷类型的复合气瓶进行疲劳及爆破实验,研究其对气瓶的性能影响.结果表明:金属内衬缺陷的存在会使得气瓶在承受内压载荷的过程中,金属内衬在缺陷位置出现应力集中,提前出现裂纹的扩展,使得金属内衬失效,无法充分发挥复合材料层高强度的优势,使得复合材料气瓶的疲劳失效次数及爆破强度大大降低,影响最终的使用性能.     

复合材料气瓶热防护材料隔热性能试验研究

以复合材料气瓶热防护材料的耐高温及隔热性能为研究对象，通过真空舱模拟上面级飞行段的真空环境，采用石英灯阵模拟热源，对两种热防护方案开展真空热试验，分析了不同材料（组合）、多层隔热组件不同单元的隔热性能及其差异产生的原因。结果表明两种防热方案都可使气瓶壁面温度满足不超过70 ℃的温度要求，其中“柔性隔热毡+中温多层”组合防热结构的耐温和隔热性能更优，并通过理论计算与试验值对比验证了热仿真计算中的不确定性，试验结果可为后续型号防热设计提供参考。     

复合材料气瓶声发射检测初步研究

通过对十个碳纤维复合材料气瓶的声发射检测试验研究,初步探索了平面定位技术、费利西蒂比对复合材料气瓶工艺质量和损伤严重性评价的可行性,同时还摸索了复合材料气瓶压力循环疲劳过程的声发射特性.研究认为:声发射作为复合材料气瓶工艺质量和损伤严重性评价方法是可行的,平面定位结果和疲劳试验结果对气瓶质量评价有一定的辅助作用,声发射费利西蒂比值越高则气瓶损伤严重性越低.     

可重复使用复合材料气瓶设计及试验验证

为了适应未来重复使用运载器更高的重复使用性能要求,设计了一种航天用轻质高压可重复使用复合材料气瓶,采用金属内胆/复合材料层结构形式。复合材料采用T700碳纤维复合材料,金属内衬采用铝合金。采用有限元仿真和试验验证的方法对气瓶的强度和重复使用性能进行了分析和验证,其仿真爆破强度为81 MPa,试验爆破强度84 MPa,仿真与试验疲劳失效次数均大于1 200次。结果表明,所设计的重复使用复合材料气瓶满足23 MPa工作压力重复使用300次要求。     

空间推进系统用铝内衬PBO 纤维缠绕高压气瓶的研制

以空间推进系统用高压复合材料气瓶的开发为背景,开展了PBO纤维的应用研究。分别对PBO/D-3和PBO/D-8复合材料力学性能进行了测试,获得了性能最佳的复合材料配方体系。在此基础上,将PBO复合材料用于空间推进系统用铝内衬复合材料高压气瓶,开展了2.4 L铝内衬高压气瓶的研制。结果表明:PBO(HM)/D-8复合材料力学性能最佳,其拉伸强度与NOL层间剪切强度分别高达1 397 MPa和20.2MPa,采用其缠绕的复合材料气瓶结构系数高达64.5 km。     

箭上复合材料气瓶绝热性能数值分析和试验研究

为满足复合材料层使用温度不超过80℃的安全要求,安装在运载火箭发动机舱段的复合材料气瓶需包覆一定厚度的绝热层。本文结合40 L复合材料气瓶及绝热层的结构参数和材料物性参数,基于集总参数方法建立了考虑辐射、导热、自然对流的传热模型,分析了包覆绝热层后的瓶体绝热性能及绝热层厚度的影响,并开展了包覆5和10 mm厚度绝热层的复合材料气瓶绝热试验,数值模拟结果与绝热试验测量数据吻合良好。     

碳纤维复合材料气瓶的X射线实时成像技术

针对某型号卫星用碳纤维复合材料气瓶的结构特点,分析了其常见缺陷及其对复合材料性能的影响,运用射线实时成像技术进行在线动态检测,取得了较好的效果.     

基于光纤光栅传感器的复合材料气瓶应变检测

针对复合材料气瓶应变检测的需求,提出了一种光纤光栅传感器植入碳纤维缠绕铝合金内衬的复合材料气瓶的方法,首先在室温下将光纤光栅传感器粘接在经过喷砂处理的铝合金内衬外表面,然后对粘接了光纤光栅传感器的铝合金内衬进行高温老炼,最后进行碳纤维缠绕和固化。开展了8只光纤光栅应变传感器植入复合材料气瓶的试验,其中6只传感器在复合材料气瓶150 ℃/1.5 h固化后保持存活,实现了复合材料气瓶固化、水压疲劳、高温试验等过程中的应变检测。结果表明,所提出的方法可以减小内衬的粗糙外表面导致的光纤光栅信号衰减,验证了光纤光栅传感器植入复合材料气瓶进行应变检测的可行性。     

M40J/CE/EP复合材料出气性能研究

通过地面环境模拟实验,分析了高模碳纤维/环氧树脂改性氰酸酯复合材料(M40J/CE/EP)的表面元素,研究了高真空加热环境下复合材料的真空出气性能和出气气体成分.结果表明,M40J/CE/EP复合材料的表面主要由C、O、N元素构成;经高真空加热后,复合材料的出气气体成分以小分子挥发物和碳氢化合物电离碎片为主,有可能在空间低温条件下冷凝在航天器的敏感器件表面而造成污染;通过真空出气性能实验测得,M40J/CE/EP复合材料的总质量损失(TML)的平均值为0.27%,收集到的可凝挥发物(CVCM)为0,完全达到出气筛选合格的指标要求.     

碳纤维缠绕复合气瓶自紧力和疲劳的数值模拟

采用数值模拟方法研究了自紧工艺对碳纤维缠绕复合气瓶的应力分布和疲劳性能的影响。基于ANSYS商用有限元分析软件,考虑气瓶封头部分碳纤维缠绕层的角度和厚度沿封头子午线的连续变化,建立了有限元模型。分析验证了54 MPa自紧压力对复合气瓶零压和35 MPa工作压力下内衬和复合材料缠绕层应力的影响,并利用Coffin-Manson公式预测了复合气瓶的疲劳寿命。结果表明,自紧后复合气瓶内衬在工作压力下的最大应力减小了29.1%。有限元计算的疲劳寿命结果与实验测定结果之间的误差<8%,验证了有限元模型和计算方法的正确性。     

气动压力对柔性热防护结构隔热性能的影响

提出"等效导热热阻"这一参数来反映柔性热防护结构的隔热性能,用石英灯辐射加热和机械加压的方式来模拟柔性热防护结构服役过程中的的气动热/压环境,根据所做热试验的结果数据研究了在一定温度下,气动压力对柔性热防护结构等效导热热阻的影响规律。结果表明:随着气动压力的增大,柔性热防护结构的隔热性能呈非线性下降趋势,因此在对柔性热防护结构设计时,必须考虑其服役过程中表面气动压力对其隔热性能的影响。     

球锥组合体在热外压作用下的稳定性

球锥组合体作为飞行器头部,热外压稳定性是结构设计的主要问题。本文对薄壳结构进行稳定性分析,将临界外压的有限元计算值与试验修正的理论值进行对比,获得有限元分析的修正系数为0.8;然后采用数值和试验相结合的方法、并考虑材料力学性能的温度效应,对复合材料球锥组合体在热外压载荷下的稳定性进行研究,高温下材料性能退化对临界载荷的影响显著,加热不均匀对临界载荷也有一定影响,线胀系数对临界载荷的影响很小。     

模压石英/ 酚醛复合材料的力学和热物理性能

采用力学、热物理等测试方法,研究模压成型石英/酚醛复合材料制品性能,并与模压成型高硅氧/酚醛复合材料制品进行了对比分析。结果表明,模压石英/酚醛复合材料具有较好的力学性能,而且其线胀系数是模压高硅氧/酚醛复合材料的一半,在中低焓值、较低热流、较长烧蚀时间条件下具有很小的热变形。     

塑性工作内衬复合材料气瓶结构设计研究

为提高航天复合材料压力容器(COPV)性能因子,COPV壳体常采用超薄壁塑性工作金属内衬和高强碳纤维缠绕的双层壳体结构.通过对传统的网格理论进行优化,提出了塑性工作内衬COPV结构静力学计算的算法,联立求解各内压载荷阶段的静力学平衡方程和应变协调方程,对COPV纤维与内衬应力应变进行计算和分析.利用ANSYS有限元软件...     

考虑气体扩散渗透的隔热材料瞬态隔热性能数值模拟

高超声速飞行器机动飞行时环境压力变化导致隔热材料沿厚度方向存在压力梯度,进而引起隔
热材料内气体的扩散渗透,影响隔热材料隔热性能。为研究气体扩散渗透对隔热材料隔热性能的影响,建立了
隔热材料内气体扩散渗透模型,采用罗斯兰德近似、有限体积法建立了隔热材料内扩散渗透及辐射导热传热计
算模型,对气体扩散渗透条件下的瞬态隔热性能进行了数值模拟。算例模拟结果表明:对2 cm 厚纳米隔热材
料,在外界气压为0. 1 MPa,绝热面为真空的状况下,当渗透率大于10-14 m2 时,气体扩散渗透开始影响隔热材
料内传热,导致隔热性能降低,气体黏性系数对气体扩散渗透有显著影响,随着黏性系数降低,气体扩散渗流现
象显著;衰减系数对绝热面温度响应有显著影响,随着衰减系数增大,绝热面温度响应显著降低。     

基于真空羽流试验的洁净真空系统设计

研制的洁净真空系统可用于真空羽流试验及热真空试验研究.详细介绍了真空系统的组成、方案设计及工作模式;计算了不同工作模式下的真空抽气时间;分别对罗茨泵机组、分子泵及低温泵进行了容器极限抽速测试,测试结果表明,满足技术指标;最后对真空容器压力维持能力进行了测试,测得容器平均压升率为0.111Pa/h,对应的平均漏气率为7.24Pa·L/s,真空容器达到了较高的工艺水平.真空系统有多种工作模式供选择,可根据试验需求及故障模式选取,增加了“真空羽流效应实验系统”运行的实用性和经济性.