除了削減成本，運載火箭的另一個關鍵目標是增加有效載荷。與傳統的金屬燃料儲罐相比，碳纖維增強聚合物（CFRP）燃料儲罐可減輕20-40%的重量。多家公司正在開發此類儲罐，包括波音公司，該公司已證實其全復合材料低溫推進儲罐的技術準備水平（TRL）達到6，通過了壓力循環測試和大壓力測試，達到其設計要求的3.75倍，而且沒有任何故障跡象。
 

這種熱固性復合材料燃料儲罐的直徑為4.3米，與美國宇航局NASA太空發射系統（SLS）火箭上層的推進劑儲罐大小大致相同，該火箭的目標是到2025年將宇航員送上月球，德國航空航天中心（DLR）輕量化生產技術空間相關應用項目經理Lars Brandt介紹，瞄準這種火箭上層是關鍵，因為在上層燃料儲罐中節省的每一公斤都是能送入太空的一公斤有效載荷。
 

在2019-2020年的PROCOMP項目中，DLR開始進一步推動使用碳纖維制成的“黑色”儲罐。“我們的想法是使用熱塑性復合材料，”Brandt說，“由于其在低溫環境中的延展性，以及其他優點，例如自動化制造過程中的原位固結和無需緊固件的組裝焊接。這種方法實現了一種新的兩件式設計，可以進入儲罐內部以保證質量，并更容易安裝填充傳感器和推進管理系統等設備。后者包括防止液體低溫燃料晃動的圓周艙壁和將燃料引導至噴嘴以輸送至下方火箭發動機的縱向葉片。DLR通過制造一個小規模演示器證明了這一設計，該演示器使用低熔點聚芳醚酮（LMPAEK）預浸料帶的原位固結自動纖維放置（AFP），并使用磁帶輪廓傳感器和在線熱成像進行100%檢測。
 

PROCOMP項目演示罐在碳纖維/LMPAEK膠帶自動光纖放置(AFP)過程中采用原位固結，并使用超聲波焊接進行組裝
 

儲罐設計
 

自2018年以來，DLR一直致力于航天器的低溫液氫（LH2）儲存。Brandt介紹，在PROCOMP中咨詢Ariane 6火箭的上部使用的復合材料液氫罐；他指出，盡管SpaceX決定繼續使用金屬罐，但是歐洲Ariane 6項目在2025-2026年之前將會測試一個新的上層艙，其中包括由CFRP制成的液氧和LH2儲罐。

PROCOMP團隊從LH2的需求量開始（約5噸）設計，然后將其縮小到已有的工具，從而形成了一個長2米、直徑1.3米的圓柱形儲罐，其端部為圓頂。接下來必須決定在何處拆分儲罐，以開發兩部分式設計。團隊提出了一些不同的概念，但終只得到了兩個圓頂中的一個，然后再將其焊接到一個整體部件上，該部件包括另一個圓頂，該圓頂與主罐體以及兩端的裙板共同加固。這些裙座位于多片式運載火箭內的燃料箱，有助于在發射、級分離和后續飛行期間抵抗各種負載。
 

PROCOMP項目中的熱塑性碳纖維復合材料儲罐設計
 

ZLP工藝和自動化研究工程師Dominik Deden解釋道：“一開始我們有較高的設計自由度，但我們決定使用現有的工具和設計，在這種設計中，集成部件的直徑會有所擴大。這使得獨立式圓頂可以安裝在集成部件內部，然后在設備安裝后進行焊接。對我們來說，這種方法在性能、重量節省和可制造性之間提供了佳平衡。獨立式圓頂與集成部件使用相同的工裝制造，這意味著我們不需要額外的工裝成本。”

“然而，這種兩部分式設計還需要在集成部件的開口裙部內部定義一個凸緣，以便在焊接前定位圓頂。焊接線不會很寬，因此我們需要精確定位圓頂”，Deden繼續說道。從這一點上，該團隊使用來自達索系統的CATIA V5軟件和用于有限元分析（FEA）的Ansys進行計算機輔助設計。

 通過考慮20開爾文（-253°C）的工作溫度和5巴壓力的不同靜態和屈曲載荷情況，對儲罐的層壓板設計進行了評估。圓頂和主罐體將使用11層單向（UD）碳纖維增強（CF）LMPAEK膠帶，應用于0°（罐體縱軸）、±30°、±60°、±45°和90°，而罐體裙板將增加至16層，并增加0°和90度層以防屈曲。每個層的合并厚度為0.14毫米，圓頂和罐體的厚度為1.54毫米，裙部的厚度為2.38毫米，因為在額外的0°/90°層中，與圓頂有210毫米的重疊。

自動鋪層和原位固結

在收到FEA/應力小組的儲罐層壓設計后，必須檢查是否有可能使用AFP設備制造儲罐。使用的設備是Advanced Fibre Placement Technology的多膠帶鋪設頭（ multiple tape-laying head，MTLH），DLR的MTLH可應用多達三個0.5英寸寬的膠帶，并安裝在一個六軸工業機器人上，該機器人能夠生產4米長、3米直徑的旋轉部件。

DLR使用機器人纏繞系統和鋁制工具制造PROCOMP演示儲罐(上)，從1號圓頂(下)的AFP原位固結開始
 

Brandt介紹，由于AFP頭部的接觸范圍有限，不得不稍微調整鋪層，但這些都是小的修改。還使用CF/LMPAEK膠帶作為層進行了測試，但決定使用未增強的LMPAEK薄膜作為粘合層，他們希望有一個可以在未來自動連接的層，但也需要在圓頂區域進行粘合，以在放置過程中引導膠帶。隨后，個圓頂被放置并原位加固，將其從工具上拆下（下圖）。接下來，制造了第二個圓頂和儲罐的主體部分，在下圖的第二步中顯示了這兩條劃線，稍微加寬了直徑，以便有空間將個圓頂安裝在其裙部內。為了達到這一目的，我們在工具上添加了一個鋁帶，然后AFP層壓裙子。

 

圖1.兩部分焊接罐 1號圓頂先被鋪設/加固并拆除，然后使用相同的工具制造集成結構：2號圓頂、罐體和兩個裙板。脫模后，安裝推進劑管理系統（上圖中的設備），并在焊接圓頂#1和獨立裝配夾具中的整體部件時用作砧座。

Deden介紹，這也幫助其創造了一個鋒利的壁架來推動個圓頂，這樣就知道它的位置是否正確并可以進行焊接；然后，在第二個圓頂上安裝了一個額外的工具，并使用AFP制作了第二個裙部；后，將膠帶直接覆蓋在先前加固的儲罐和第二個穹頂的一部分上。Brandt指出，這是熱塑性復合材料原位固結的一個優點，總是可以在零件上添加額外的材料，因此，整體部分包括兩個完整的裙板、第二個圓頂和罐體。

PROCOMP演示罐在制造過程中是整體部件(上)，帶有裙部2 AFP加固和重疊的圓頂2(下)
 

一些人批評原位固結AFP是一個緩慢的過程，需要非常高質量的膠帶才能獲得良好的層壓板。“這些觀點都很合理，”Deden說。“在我們看來，原位固結只有在真正發揮其優勢的情況下才有意義，而且你必須使你的設計適應現場過程，這需要真正了解細節。如果你只是嘗試修改高壓釜固結熱塑性零件或普通AFP熱固性預浸料零件的設計，這是無效的。”
 

焊接組件
 

在整體罐部分從工具中移除后，使用DLR開發的連續超聲波焊接技術將個圓頂和完整的整體部件連接在焊接夾具中。該項目的這一部分由團隊的焊接專家Manuel Engelschall領導。先，他們為個圓頂配備了推進劑管理系統結構，其中包括圓頂底部的圓周輪廓和一系列彎曲的縱向葉片。他們用鋁做這些只是為了證明組裝概念，對于實際的儲罐而言，這些可以是復合材料，與飛機機身中的縱梁和框架非常相似，因此如何生產這些是眾所周知的。”
 

實際的系統部件不是焦點，但使用圓周輪廓作為焊接砧座是焦點。需要它來實現壓力，以鞏固熱塑性復合材料焊縫。他們還使用了一個易于插入和拆卸的附加金屬結構，以確保具有所需的剛度，因為工具已不再提供穩定性。然后焊接了一條圓周焊縫，以連接圓頂和整體部件。
 

PROCOMP中使用的焊接系統包括一個高精度KUKA機器人手臂，該機器人手臂配備了一個超聲波焊極，具有直徑為25毫米的球形支承表面。超聲電極將振動垂直地引導到復合材料層壓板中。由于摩擦，熱量僅在焊接接觸區域產生。他們在焊接的兩個表面之間插入了一層60微米厚的未增強LMPAEK作為能量導向器。
 

在連續超聲焊接中，通常使用能量導引器將能量集中在焊縫區域。與加固焊縫表面相比，整齊的樹脂增加了超聲波振動的阻尼，從而導致摩擦，使這些表面的基體熔化。焊接速度為20-25毫米/秒，焊接力為400-600牛頓。
 

100%在線檢查
 

另一個關鍵目標是通過PROCOMP團隊Monika Mayer開發的自動化系統來保證質量。她將激光線與一臺特殊的相機結合在一起，自動測量正在放置的磁帶的高度輪廓。這基本上是一種先進的激光三角測量傳感器。類似的系統已經由Profactor、Danobat復合材料和ZAero項目中的其他合作伙伴開發，用于零缺陷復合材料制造。
 

Brandt介紹：“有了這個系統，我們可以連續測量間隙、重疊和其他缺陷，這意味著下一層會考慮到這一點。這一點很重要，因為每層中的間隙和重疊會導致高度偏差，進而影響層壓板和結構性能。因此，我們可以以非常精確的方式檢測這些偏差，但每層之后我們還有一個完整的3D表面，這些都是在現場完成的，這意味著這些測量不需要額外的機器人或時間”

PROCOMP開發了一種在線檢測系統，使用激光線和特殊相機檢測AFP原位固結過程中的間隙和重疊
 

這些數據是必要的，以證明制造的零件充分符合CAD設計，并避免因缺陷導致的強度顯著下降。但是，如果在AFP過程中檢測到間隙和重疊，會發生什么？“在PROCOMP期間，我們只是演示了檢查，但沒有調整機器人路徑的程序，”Deden說。“但是，如果多層中存在間隙和重疊，終可能會出現永久波浪狀或彎曲的層壓板，因此找到一種解決方案，用原位固結層壓板管理這種問題是很重要的。”
 

Brandt說：“當存在空白和重疊時，就有適應的潛力，但你必須非常小心。例如，對于儲罐來說，為了避免終結構中的泄漏，這樣做可能是有意義的。但如果你調整機器人路徑，你也會調整纖維角度。因此，你需要能夠分析間隙或重疊與光纖角度的變化對終儲罐性能的影響。”
 

檢查系統的第二部分是使用紅外（IR）相機的在線熱成像。“這里的概念是在AFP期間發現整合問題，”Brandt說“我們把相機放在AFP頭上的壓實輥旁邊，這樣它就可以測量壓縮后膠帶的溫度。剛鋪好的膠帶和下面的層壓材料之間的任何空氣都會起到絕緣體的作用。然后，我們會在現場比較冷卻速度，以識別潛在的缺陷。我們取得了很好的結果。例如，我的同事用Kapton聚酰亞胺箔模擬誤差，這些誤差很容易看到。然后，他們開發了一種算法，可以跟蹤紅外相機上的像素，然后導出溫度梯度，這樣他們就可以查看并判斷是否在正常層壓行為的范圍內，或者是否存在問題。”
 

在線熱成像系統，用于測試AFP過程中的固結缺陷
 

所有的檢測數據與AFP頭、機器人和熱源控制器的數據一起存儲，使用集成的數據管理系統。Brandt指出這是一種開源軟件。所有收集的數據都用上下文元數據自動標注，以便使用捕獲時間、AFP層和課程編號以及零件上的空間位置輕松選擇感興趣的區域。還開發了一個儀表板，用于通過趨勢分析提供實時過程監控和識別新出現的問題，包括評估零件質量和分析過程數據相關性的能力。
 

LH2飛機的未來發展？
 

PROCOMP團隊認為這個項目是成功的。“我們展示了制造過程非常可靠，從計算載荷到設計儲罐，對AFP進行編程，焊接兩個部件，并在儲罐內集成推進管理系統。因此，我們取得了很多的成果，但我們已經在另一個項目中工作，這些課題是我們在PROCOMP中無法解決的。”
 

Brandt說：“另一個有趣的方面是，在這個項目期間，德國開始為飛機中的氫氣儲存提供大量資金。現在，我們已經看到，這種興趣出現了爆炸式增長。”波音公司正在尋求將其熱固性復合材料低溫儲罐應用于零排放飛機的LH2儲存，而空中客車公司宣布，其架此類飛機將于2035年投入使用，多個研發中心分別于2023年和2026年對LH2儲罐進行地面和飛行測試。
 

Brandt說：“我認為展示的關鍵優勢甚至可以用于飛機上的LH2儲罐，它們很可能不會集成到飛機機翼上，至少在初經典設計的版本中是這樣的，因此它們將成為必須盡可能輕的額外結構。在這樣的儲罐中使用CFRP可能有點不切實際，但我相信這是我們長期以來唯一的解決方案，而熱塑性復合材料確實可能發揮關鍵作用。”