stringtranslate.com

Композитный сосуд высокого давления с оболочкой

COPV внутри зондирующей ракеты

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.

Корпус ступени ракеты «Альтаир» , по сути, представляет собой сосуд высокого давления, обернутый стекловолоконным композитом.

Обзор

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]

Производство

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]

Тестирование

На COPV проводятся различные испытания и проверки, включая гидростатические испытания , испытания на прочность при разрыве и неразрушающую оценку . [8] [9]

Старение

На прочность COPV в результате старения влияют три основных компонента: циклическая усталость, срок службы внешней оболочки и прочность на разрыв под действием напряжения. [4]

Неудачи

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.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Защитные оболочки для композитных сосудов высокого давления с внешней оболочкой". Архивировано из оригинала 2021-10-01 . Получено 2008-10-20 .
  2. ^ Delay, Tom (март 2005 г.). Making a Metal-Lined Composite-Overwrapped Pressure Vessel (PDF) (Технический отчет). NASA . hdl :2060/20110014768. Архивировано (PDF) из оригинала 30 августа 2024 г. Получено 1 октября 2021 г.
  3. ^ Lung, Bryan C. (2005). Система мониторинга состояния конструкций для композитных сосудов высокого давления (магистерская диссертация). Университет Саскачевана . hdl :10388/etd-04042005-133006. Архивировано из оригинала 30 августа 2024 года . Получено 15 января 2024 года .
  4. ^ ab Рассел, Рик; Флинн, Говард; Форт, Скотт; Грин, Натанаэль; Кезириан, Майкл; Варанауски, Дон; Лейфест, Марк; Йодер, Томми; Вудворт, Уоррен (10 мая 2010 г.). Испытание на разрыв композитных сосудов под давлением с оболочкой (COPV). Часть 2 (PDF) (Технический отчет). NASA . hdl :2060/20110003996. Архивировано (PDF) из оригинала 31 октября 2021 г. . Получено 25 мая 2018 г. .
  5. ^ ab Kezirian, Michael T.; Johnson, Kevin L.; Phoenix, Stuart L. (27 сентября 2011 г.). Композитные сосуды высокого давления с защитной оболочкой (COPV): обоснование полета для программы Space Shuttle (PDF) . Конференция и выставка AIAA SPACE 2011. Лонг-Бич, Калифорния: AIAA . hdl :2060/20110015972. Архивировано (PDF) из оригинала 17 марта 2024 г. . Получено 24 мая 2018 г. .
  6. ^ Там, Уолтер Х. «Проектирование и изготовление композитного сборочного узла напорного бака с оболочкой» (PDF) . AIAA . Архивировано из оригинала (PDF) 25 мая 2018 г. . Получено 24 мая 2018 г. – через Orbital ATK.
  7. ^ Пэт Б. Маклафлан; Скотт К. Форт; Лори Р. Граймс-Ледесма (март 2011 г.). "Композитные сосуды высокого давления с оболочкой, учебник" (PDF) . NASA . Архивировано из оригинала (PDF) 21.04.2015.
  8. ^ Тестирование сосудов Архивировано 2008-09-05 на Wayback Machine
  9. ^ Граймс-Ледесма, Лори; Феникс, С. Ли; Бисон, Гарольд; Йодер, Томми; Грин, Натаниэль (17 сентября 2017 г.). Испытание срока службы сосудов высокого давления с оболочкой из углеродного волокна. ASC/ASTM 21-я ежегодная техническая конференция Американского общества композитных материалов. Дирборн, Мичиган: ASTM International . hdl :2014/39869. Архивировано из оригинала 30 августа 2024 г. Получено 20 октября 2008 г.
  10. ^ "SpaceX объявляет о роли COPV в сентябрьском взрыве ракеты". 01/02/2017 . Архивировано из оригинала 2018-06-14 . Получено 2018-11-30 .