经过十年与美国国家航空航天局和 30 多家航空航天公司合作证明其无衬里、重量轻的复合材料储罐，这家 CryoSphere 先驱正在扩大其在商业空间和地球上可持续运输方面的增长。
Infinite Composites V 型复合材料压力容器
Infinite Composites（美国俄克拉荷马州塔尔萨市）成立于 2010 年，并于 2013 年交付了第一个 V 型复合材料压力容器。与使用金属的 I 型、II 型和 III 型储罐以及使用塑料内衬的 IV 型储罐相比，V 型压力容器重量最轻，其特点是采用全复合材料结构，主要由碳纤维加固，但没有内衬。然而，由于内衬起到了防止气体和低温液体在高压（例如高达 14000 磅/平方英寸/993 巴）下渗透到复合材料层压板中的屏障的作用，因此建造能够可靠地进行数千次加压循环的无内衬储罐绝非易事。
Infinite Composites 公司取得了成功，为航天器、航空、地面运输和工业气体应用提供了尺寸为 5 至 325 升的 V 型储罐。该公司拥有经 AIAA S-081B-2018认证的空间系统储罐，并正在与多个客户合作开发用于储氢的 V 型储罐，包括用于低温液氢（LH2）的储罐。Infinite Composites 首席执行官 Matt Villarreal 表示：“我们已经完成了 18000 次联邦机动车安全标准（FMVSS）304 测试的压力循环。”。“我们已经完成了坠机后的生存能力和篝火测试。我们已经在许多不同的应用中证明了我们的技术，现在我们专注于完成资格认证和批量生产的扩展。”
Infinite Composites 的第一个 V 型储罐是用于天然气车辆（顶部），但很快就开始开发用于太空的储罐，如 CryoSphere（底部），用于在低至-290°F 的低温下储存液体推进剂
NGV（-natural gas vehicle）到太空
正如 2020 年的文章《开发一种无衬里、全复合材料的球形冷冻箱》中所解释的那样，Infinite Composites 的创始人制造了一辆由压缩天然气（CNG- compressed natural gas ）驱动的一级方程式赛车，据报道这是世界上第一辆，并亲身体验了全金属 CNG 储罐的重量（约占整车重量的 10%）如何降低赛车的效率，在比赛中需要多次加油。维拉里尔解释说，当他们研究重量更轻的替代品时，“我们确信 V 型储罐可以彻底改变太空探索和可持续交通。”
Villarreal 说，该公司早期的大多数储罐都用于 CNG 应用，“但在 2016 年，我们决定太空最适合我们，因为天然气汽车市场非常商品化，需要规模。大约在同一时间，太空探索技术公司联系了我们，美国国家航空航天局马歇尔太空飞行中心（美国阿拉巴马州亨茨维尔）还想要一些储罐。因此，我们将公司名称改为 Infinite Composites，以反映更广泛的应用范 围。我们的使命是使 V 型复合材料压力容器像金属罐一样无处不在。我们目前有火箭、低轨卫星、地球同步轨道卫星、月球着陆器、无人机、高超音速飞行器和氢动力飞机的项目，以及专门的商业项目。”
为什么选择 V 型储罐？
无衬里复合材料压力容器消除了金属或塑料衬里的重量以及物流和制造成本/时间。维拉里尔说：“这也消除了内衬和复合外包装之间的空气滞留问题以及其他质量问题，这些问题过去曾导致储罐故障。”“我们还消除了缸套疲劳失效的问题，因此我们可以延长储罐的循环寿命。”
Villarreal 声称，与用于储存和运输工业气体的典型全金属罐相比，Infinite Composites V 型罐的质量减少了 90%，与传统上用于太空飞行器的复合材料外覆金属压力容器（COPV-composite overwrapped metal pressure vessels ）相比，质量减少了 40%。他补充道：“与传统的 COPV 相比，我们通常还可以至少减少 70%的交付周期，最多减少 50%的成本。”。然而，他承认，V 型储罐的渗透性将高于带金属内衬的压力容器。V 型储罐的飞行传统也较少，但这种情况正在开始改变。
Infinite Composites 指出，与太空飞行器中常用的 COPV 相比，V 型储罐的质量减少了 40%，成本降低了 50%，交付周期缩短了 70-80%。
V 型储罐的制造和材料
对于大多数复合材料压力容器来说，Infinite Composites 通常使用细丝缠绕来制造储罐。比利亚雷亚尔说：“我们有一个自动化的过程，可以在一夜之间进行，而不需要任何人干预或监控。”。“我们使用可拆卸芯轴和各种专有树脂系统，为碳纤维复合材料层压板提供渗透屏障和承载结构的组合。我们可以定制这些树脂，以适应不同的应用，例如不同的高压和低温流体，如氦气、氢气、甲烷、高测试过氧化物或一氧化二氮。”
该公司还在树脂中使用来自 Applied graphene Materials（英国克利夫兰）的石墨烯添加剂。维拉里尔指出：“我们已经看到层间断裂韧性和抗渗透能力都有所提高。”“我们的渗透速率已经达到了每分钟 2.5 x 10-6 标准立方厘米（SCCM），因此我们在抗渗透性方面越来越接近于与一些金属罐的水平。”
碳纤维，包括东丽（日本东京）T800 和 T1100 纤维，是主要的增强材料，但 Infinite Composites 也在不同的储罐应用中使用玄武岩、玻璃和其他纤维。
Infinite Composites 开发了一系列材料、工艺和制造技术，使其储罐成为可能
这种压力容器的另一个关键部分是金属凸台接口，该接口连接到复合材料结构上，用于连接外部阀门和燃料供应系统。凸台在运输过程中承受端部载 荷，在加压循环过程中承受较大的温度波动，其与复合材料结构的结合至关重要。Infinite Composites 使用专有工艺将金属凸台粘合到复合材料层压板上，以缓解不同材料之间热膨胀的不匹配。这使得即使在日常使用 20 年后也能保持完整的纳米级紧密结合。
这些压力容器还通过了多项测试，包括高达 993巴的爆裂压力、816°C 的篝火测试、高达-207°C 的低温测试、模拟轨道级火箭 200 次发射和着陆的气动测试，以及模拟 20 年服役的压力/温度循环。维拉里尔说：“我们还用液氧和液氦等冷冻剂进行了填充测试。”“我们的储罐结构已经证明了它的性能。我们为美国国家航空航天局兰利号制造了直径一直到 2.5英寸的储罐，以及直径约 2 英尺乘 5 英尺长的 325 升储罐。”
湿纤维缠绕与预浸丝束,3D打印
Infinite Composites 使用最常见的制造压力容器的工艺——使用液体树脂缠绕细丝——而不是缠绕丝束或预浸胶带。Villarreal 解释道：“我们使用了丝束预浸料，但我们更喜欢能够使用我们想要的任何定制树脂的灵活性，而不限于预浸料中的一个基质系统，因为这对于开发新的流体相容性来说不是最佳的。”“我们更喜欢湿绕组材料的灵活性。”
他补充说，铺设预浸料所需的自动胶带缠绕或纤维放置（AFP）设备也非常昂贵。Villarreal 说：“这一过程也比使用多轴机器的湿丝缠绕更复杂，也没有那么可扩展。”。“然而，我们目前正在与俄克拉荷马州立大学的 Ranji Vaidyanathan 博士合作一个太空制造项目，这种应用可能需要丝束预处理，因为在太空中混合液体树脂似乎不实用。”
“我认为有很大前景的是连续纤维 3D 打印，”他继续说道。“我认为这将是未来最有利的制造技术，因为你可以在芯轴作为碳纤维结构的一部分的位置打印芯轴。你可以在太空环境中以完全自动化的方式轻松地做到这一点。你还可以获得一些非常有趣的结构，这些结构具有任何其他类型的制造都无法真正获得的内部特征进程。因此，这是我对未来制造包括复合材料压力容器在内的复合材料的选择。”
新空间的增长
Infinite Composites V 型储罐在太空飞行器燃料系统的 700 巴氢气储存（左）、一氧化二氮（NOX）和氦气管道（右）中进行了爆裂测试
维拉里尔说，新太空市场正在爆炸式发展，从传统的火箭和运载火箭的冷冻燃料和氧化剂罐扩展到卫星和月球着陆器的推进剂罐，以及太空燃料库、空间站和栖息地的加压罐。“这些应用必须应用于 V 型储罐，因为它们对质量非常敏感。这是一种直接的权衡——运载火箭中的每一磅都是留在地面上的一磅付费货物。他们可以通过拥有多个更重的储罐来放弃数百万美元。”同样的计算也适用于卫星和月球着陆器。
Infinite Composites 正在为多颗 LEO 和 GEO 卫星以及一个月球着陆器提供储罐，所有这些卫星都应该在 2024 年前进入太空。维拉里尔说：“我们的储罐用于推进系统，通常使用氙或氪等气体。”
“但我们越来越多的客户想要越来越大的储罐，”比利亚雷亚尔说。“我们收到了一些团体的兴趣，他们希望所有直径超过 36 英尺的复合材料储罐用于运载火箭。我们还不能制造那么大的储罐，但兴趣已经存在。我认为这就是市场的发展方向。太空仍然是我们最大的增长领域，尽管氢的应用也在增长。”
氢，合并解决方案
Infinite Composites 正在与氢动力飞机领域的多个参与者合作，交付 10 个 V 型复合材料罐进行测试。维拉里尔说：“我们还与一个名为“天空居民”（美国俄克拉荷马州俄克拉荷马市）的组织合作，该组织正在为超长飞行制造无人机。”。“我们正在用氢罐取代他们的一些电池容量，并与他们一起进行一些伟大的研究，研究 350 巴的压缩气罐，以及开发无人机液氢罐的联合提案。”
Infinite Composites 已经测试并正在继续探索非圆柱形储罐形状
这些液氢罐会像已经用于太空运载火箭的液氢罐一样，还是更像正在为氢动力重型卡车开发的全金属杜瓦瓶？“我们已经用真空隔热杜瓦瓶做了一些测 试，”维拉里尔说。“我认为其中一个挑战是，储罐中的金属结构只是在传递热量。在我们对液氢项目的液氦测试中，所有的管线都是不锈钢的，如果隔热层出现微小断裂，或者任何隔热层较薄弱的地方，液氦就会蒸发掉。我认为所有的复合材料储罐都将是大赢家，因为你可以避免大部分热量通过储罐传递，特别是如果我们确实使用真空隔热储罐进行此类应用。”
比利亚雷亚尔还指出，目前，用于在地球上运输的 V 型储罐经历的压力循环（数万次）比太空车储罐（数十至数百次）多得多。随着可重复使用运载火箭的使用增加，以及在太空加油站以延长太空拖船和其他航天器任务持续时间的愿景，这种情况可能会改 变。“但主要的区别在于外部来源造成损害的风险，”他说。航天器的储罐制造得非常轻，能够承受发射，但在地面或机载地面运载工具的日常服务中不一定耐冲击。比利亚雷亚尔补充道：“这推动了更严格的测试来缓解。”。如上所述，Infinite Composites 已经完成了这种类型的测试，这要归功于其在 NGV 中的起源及其最近的氢罐开发。
“我们正处于所有这些市场的交叉点——氢用于更可持续的航空和全球运输，天然气储存和运输的工业应用以及新太空——我们看到这些应用的技术正在融合。我们甚至向氢飞机项目出售了一些与我们向太空飞行器集团出售的相同的储罐，因为它们符合所有相同的标准和安全系数，并进行了相同的测试。我认为在五年左右的时间里，这些市场上使用的技术不会有太大的差异。”
Villarreal 说：“我们生产的 V 型储罐已经超过了美国能源部在车辆储氢重量效率方面的目标，也超过了之前为太空应用设定的目标。”。“它们比市场上的任何东西都轻。我看到这些结合在一起，为未来的推进能源存储提供了解决方案。”
注：原文见《Infinite Composites: Type V tanks for space, hydrogen, automotive and more》2023.6.27
