Композитный сосуд высокого давления с оболочкой (COPV) представляет собой сосуд, состоящий из тонкого неструктурного вкладыша, обернутого структурным волокнистым композитом , предназначенным для удержания жидкости под давлением. Вкладыш обеспечивает барьер между жидкостью и композитом, предотвращая утечки (которые могут возникнуть через матричные микротрещины , не вызывающие структурного разрушения) и химическую деградацию структуры. Как правило, защитная оболочка применяется для защиты от ударных повреждений. [1] [2] Наиболее часто используемые композиты — это армированные волокном полимеры (FRP), [3] с использованием углеродных и кевларовых волокон. Основным преимуществом COPV по сравнению с металлическим сосудом высокого давления аналогичного размера является меньший вес; однако COPV требуют более высоких затрат на производство и сертификацию.
Композитный внешний сосуд высокого давления (COPV) представляет собой сосуд, находящийся под давлением, обычно состоящий из металлического вкладыша, композитной внешней оболочки и одного или нескольких выступов . [4] Они используются в космических полетах из-за их высокой прочности и малого веса. [5]
Во время работы COPV расширяются из негерметичного состояния. [6]
COPV обычно изготавливаются путем намотки пропитанной смолой высокопрочной волокнистой ленты непосредственно на цилиндрическую или сферическую металлическую оболочку. Робот размещает ленту так, чтобы волокна лежали прямо и не пересекались и не перекручивались, что могло бы создать концентрацию напряжения в волокне, а также обеспечивает минимальные зазоры или пустоты между лентами. Затем весь сосуд нагревается в печи с контролируемой температурой для затвердевания композитной смолы.
В процессе производства COPV подвергаются процессу, называемому автофреттаж . Устройство находится под давлением, а лайнер расширяется и пластически (постоянно) деформируется, что приводит к постоянному увеличению объема. Затем давление сбрасывается, и лайнер немного сжимается, будучи нагруженным сжатием внешней оберткой около ее предела текучести при сжатии. Эта остаточная деформация увеличивает срок службы цикла. Еще одна причина для автофреттажа сосуда — убедиться, что увеличение объема в сосудах под давлением в производственной линии остается в ожидаемом диапазоне. Более значительный рост объема, чем обычно, может указывать на производственные дефекты, такие как пустоты внешней обертки, высокий градиент напряжения через слои внешней обертки или другие повреждения. [5] [7]
На COPV проводятся различные испытания и проверки, включая гидростатические испытания , испытания на прочность при разрыве и неразрушающую оценку . [8] [9]
На прочность COPV в результате старения влияют три основных компонента: циклическая усталость, срок службы внешней оболочки и прочность на разрыв под действием напряжения. [4]
COPV могут быть подвержены сложным видам отказов. В 2016 году ракета SpaceX Falcon 9 взорвалась на стартовой площадке из-за отказа COPV внутри бака с жидким кислородом: [10] отказ произошел из-за накопления замороженного твердого кислорода между алюминиевой облицовкой COPV и композитной оболочкой в пустоте или смятии. Захваченный кислород может либо разорвать волокна оболочки, либо вызвать трение между волокнами, поскольку он набухает, воспламеняя волокна в чистом кислороде и вызывая отказ COPV. Похожий отказ произошел в 2015 году на CRS-7, когда COPV взорвался, что привело к избыточному давлению в кислородном баке и взрыву через 139 секунд после начала полета.