Композитный обернутый сосуд под давлением

Сосуд высокого давления с композитной оберткой (COPV) представляет собой сосуд, состоящий из тонкого неструктурного вкладыша, обернутого композитным структурным , волокном предназначенный для удержания жидкости под давлением. Вкладыш обеспечивает барьер между жидкостью и композитом, предотвращая утечки (которые могут возникать через микротрещины матрицы , не вызывающие структурного разрушения) и химическую деградацию структуры. Обычно защитная оболочка применяется для защиты от ударных повреждений. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Наиболее распространенными композитами являются армированные волокнами полимеры (FRP). ^{[ 3 ]} с использованием углеродных и кевларовых волокон. Основным преимуществом COPV по сравнению с металлическим сосудом под давлением аналогичного размера является меньший вес; Однако COPV влекут за собой повышенные затраты на производство и сертификацию.

Обзор

Сосуд высокого давления с композитной оберткой (COPV) представляет собой сосуд, находящийся под давлением, обычно состоящий из металлического вкладыша, композитной внешней оболочки и одной или нескольких выступов . ^{[ 4 ]} Их используют в космических полетах благодаря высокой прочности и малому весу. ^{[ 5 ]}

Во время работы COPV расширяются из негерметичного состояния. ^{[ 6 ]}

Производство

COPV обычно изготавливаются путем намотки пропитанной смолой высокопрочной волоконной ленты непосредственно на цилиндрический или сферический металлический вкладыш. Робот укладывает ленту так, чтобы волокна лежали прямо, не перекрещивались и не перекручивались, что создавало бы концентрацию напряжений в волокне, а также обеспечивало минимальные зазоры и пустоты между лентами. Затем весь сосуд нагревают в печи с контролируемой температурой для затвердевания композитной смолы.

Во время производства COPV подвергаются процессу, называемому автофреттажем . Устройство находится под давлением, вкладыш расширяется и пластически (постоянно) деформируется, что приводит к постоянному увеличению объема. Затем давление сбрасывается, и вкладыш немного сжимается, подвергаясь сжатию внешней оберткой почти при пределе текучести при сжатии. Эта остаточная деформация увеличивает срок службы. Еще одной причиной автофреттирования сосуда является проверка того, что увеличение объема сосудов под давлением в линейке продукции остается в пределах ожидаемого диапазона. Увеличение объема, превышающее обычное, может указывать на производственные дефекты, такие как пустоты в внешней упаковке, высокий градиент напряжения в слоях внешней упаковки или другие повреждения. ^{[ 5 ]}^{[ 7 ]}

Тестирование

На COPV проводятся различные испытания и проверки, включая гидростатические испытания , определение срока службы до разрушения и неразрушающую оценку . ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}

Старение

Три основных компонента влияют на прочность COPV из-за старения: циклическая усталость, срок службы внешней обертки и срок службы при разрыве под напряжением. ^{[ 4 ]}

Неудачи

COPV могут подвергаться сложным режимам отказа. В 2016 году SpaceX Falcon 9 ракета взорвалась на площадке из-за выхода из строя COPV внутри бака с жидким кислородом: ^{[ 10 ]} Неисправность произошла из-за скопления замороженного твердого кислорода между алюминиевым вкладышем COPV и композитной оберткой в пустоте или пряжке. Захваченный кислород может либо разорвать волокна обертки, либо вызвать трение между волокнами при набухании, воспламеняя волокна в чистом кислороде и вызывая выход из строя COPV. Похожий сбой произошел в 2015 году на CRS-7 , когда взорвался COPV, в результате чего в кислородном баллоне возникло избыточное давление, и он взорвался на 139 секунде полета.

См. также

Газовый баллон - Цилиндрический контейнер для хранения газа под давлением.
Топливный бак – безопасный контейнер для легковоспламеняющихся жидкостей, например, для автомобиля или масляного обогревателя.
Водородный бак
Графитно-эпоксидный двигатель - американский твердотопливный ракетный ускоритель.

Ссылки

^ «Защитные оболочки для сосудов под давлением с композитной оберткой» . Архивировано из оригинала 01 октября 2021 г. Проверено 20 октября 2008 г.
^ Группа, Techbriefs Media (март 2005 г.). «Изготовление сосуда под давлением с металлической футеровкой и композитной оберткой» . www.techbriefs.com . Архивировано из оригинала 01 октября 2021 г. Проверено 01 октября 2021 г. {{cite web}}: |last= имеет общее имя ( справка )
^ Лунг, Брайан С. (2005). Система структурного контроля работоспособности композитных сосудов под давлением (Магистерская диссертация). Университет Саскачевана. hdl : 10388/etd-04042005-133006 . Проверено 15 января 2024 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Рассел, Рик (10 мая 2010 г.). «Испытание на разрыв под напряжением композитных сосудов под давлением (COPV). Часть 2» (PDF) . НАСА. Архивировано (PDF) из оригинала 26 февраля 2017 г. Проверено 25 мая 2018 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Кезирян, Майкл Т. (27 сентября 2011 г.). «Сосуды под давлением с композитной оберткой (COPV): обоснование полета программы космических шаттлов» (PDF) . АИАА . Архивировано (PDF) из оригинала 15 августа 2017 г. Проверено 24 мая 2018 г.
^ Тэм, Уолтер Х. «Проектирование и производство узла резервуара с нагнетательной жидкостью в композитной упаковке» (PDF) . АИАА . Архивировано из оригинала (PDF) 25 мая 2018 года . Получено 24 мая 2018 г. - через Orbital ATK.
^ Пэт Б. Маклафлан; Скотт К. Форт; Лори Р. Граймс-Ледесма (март 2011 г.). «Сосуды под давлением с композитной оберткой, учебник для начинающих» (PDF) . НАСА . Архивировано из оригинала (PDF) 21 апреля 2015 г.
^ Испытания судна. Архивировано 5 сентября 2008 г. в Wayback Machine.
^ «Испытания на прочность на разрыв» . Архивировано из оригинала 27 мая 2010 г. Проверено 20 октября 2008 г.
^ «SpaceX объявляет о роли COPV в сентябрьском взрыве ракеты» . 02.01.2017 . Архивировано из оригинала 14 июня 2018 г. Проверено 30 ноября 2018 г.

[1] «Защитные оболочки для сосудов под давлением с композитной оберткой» . Архивировано из оригинала 01 октября 2021 г. Проверено 20 октября 2008 г.

[2] Группа, Techbriefs Media (март 2005 г.). «Изготовление сосуда под давлением с металлической футеровкой и композитной оберткой» . www.techbriefs.com . Архивировано из оригинала 01 октября 2021 г. Проверено 01 октября 2021 г. {{cite web}}: |last= имеет общее имя ( справка )

[3] Лунг, Брайан С. (2005). Система структурного контроля работоспособности композитных сосудов под давлением (Магистерская диссертация). Университет Саскачевана. hdl : 10388/etd-04042005-133006 . Проверено 15 января 2024 г.

[srtp2-4] Перейти обратно: ^а ^б Рассел, Рик (10 мая 2010 г.). «Испытание на разрыв под напряжением композитных сосудов под давлением (COPV). Часть 2» (PDF) . НАСА. Архивировано (PDF) из оригинала 26 февраля 2017 г. Проверено 25 мая 2018 г.

[frss-5] Перейти обратно: ^а ^б Кезирян, Майкл Т. (27 сентября 2011 г.). «Сосуды под давлением с композитной оберткой (COPV): обоснование полета программы космических шаттлов» (PDF) . АИАА . Архивировано (PDF) из оригинала 15 августа 2017 г. Проверено 24 мая 2018 г.

[6] Тэм, Уолтер Х. «Проектирование и производство узла резервуара с нагнетательной жидкостью в композитной упаковке» (PDF) . АИАА . Архивировано из оригинала (PDF) 25 мая 2018 года . Получено 24 мая 2018 г. - через Orbital ATK.

[7] Пэт Б. Маклафлан; Скотт К. Форт; Лори Р. Граймс-Ледесма (март 2011 г.). «Сосуды под давлением с композитной оберткой, учебник для начинающих» (PDF) . НАСА . Архивировано из оригинала (PDF) 21 апреля 2015 г.

[8] Испытания судна. Архивировано 5 сентября 2008 г. в Wayback Machine.

[9] «Испытания на прочность на разрыв» . Архивировано из оригинала 27 мая 2010 г. Проверено 20 октября 2008 г.

[10] «SpaceX объявляет о роли COPV в сентябрьском взрыве ракеты» . 02.01.2017 . Архивировано из оригинала 14 июня 2018 г. Проверено 30 ноября 2018 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]