近年来，高压储氢技术成为国内外研究热点，然而在某些领域，低温储氢技术也备受关注，如高超音速系统中会使用液态氢、液态甲烷和液态氧等新的推进剂，而低温推进剂的储存问题虽然至关重要，但长期未收到足够重视。

 

　　欧洲CHATT（Cryogenic Hypersonic Advanced Tank Technologies，低温高超音速先进储罐技术）项目于2012年初启动，该项目的核心目标之一是研究碳纤维增强塑料（CFRP）低温压力储罐。开展CFRP低温先进储罐技术研究不仅在未来的高超声速航空中很有用，由于环境原因而且在亚音速航空中也必不可少。

 

　　本文主要介绍了CFRP低温储罐的需求背景、国外主要进展以及潜在应用等内容，由于同属于CFRP储气瓶领域，因此本文也纳入碳纤维储气瓶专题研究文章中。

 

 

　　在未来高速航空尤其是高超音速系统中，液态氢、液态甲烷，以及可能的液态氧可能会用作新的推进剂。在欧盟资助下，欧洲开展了FAST20XX、ATLLAS或LAPCAT等项目，研究了使用上述新型推进剂的飞行器SpaceLiner或Lapcat A2所面临的挑战。

 

　　高速飞机中的低温推进剂储存问题至关重要，但到目前为止尚未掌握关键技术，直到2012年欧盟的CHATT项目开始时才针对低温储罐进行比较详细的研究。未来需要对液氢或甲烷储罐进行更详细的研究，因为它不仅在未来的高超声速航空中很有用，而且在亚音速航空中也必不可少。

 

　　以可再生能源为基础生产的液态氢是满足要求的唯一已知新燃料。尽管低温燃料已经在先进的发射系统（例如欧洲的阿丽亚娜火箭）中运行，但对于高速飞机而言将需要更复杂的技术，需要新的材料和设计概念，例如基于高性能碳纤维的复合材料，以减轻储罐重量并提高结构性能。

 

　　CFRP在结构上对于压力容器而言是有效的，因为结构设计时可根据主应力的方向和大小来引导适当数量的纤维，从而使其成为等张力结构。然而，对于内部压力相对较低的大型低温储罐来说，仍然存在一些特殊的，比如需要金属内衬，因此就会面临金属储罐的挑战。不过，国外目前正在调研更先进的“无内衬”碳纤维低温储罐的可行性。

 

　　此外，与当前的火箭发射系统不同，高速飞机推进剂低温储罐必须确保经过数百甚至数千个飞行周期的耐久性，因此抗疲劳性也是低温储罐为关注的性能之一。

 

 

　　1、美国CFRP低温储罐技术进展

 

　　美国在一些研究计划如DC-XA（约1994年）、X-33（约1999年）、太空发射计划（Space Launch Initiative，SLI）中的复合材料低温储罐计划（约2006年）等中已经制造并测试了复合材料低温LH2储罐性能。

 

　　美国宇航局NASA在复合材料低温储罐技术示范（Composite  Cryotank  Technology Demonstration，CCTD）工程中取得了重大进展，已经完成了大型复合材料液氢低温储罐的设计、加工及相关飞行载荷试验。

 

　　CCTD项目的目标是设计并制造复合材料液氢低温储罐，与先进的铝金属低温储罐相比，它可以节省30％的重量和25％的成本。在设计时，低温储罐的载荷、长度和体积均基于战神五号发射器地球发射台（Earth Departure (upper) Stage，EDS）直径为10 m的LH2储罐。

 

　　美国宇航局NASA开发了一种金属铝合金制冷剂概念，并以与三种具有相同整体尺寸基于美国赫氏IM7碳纤维增强 977-2型树脂复合材料的概念进行比较：波音公司有槽的内芯，洛克希德·马丁公司的外部加硬件以及诺思罗普·格鲁曼三明治结构。与金属储罐相比，这三种复合材料储罐轻量化均超过了CCTD项目所要求的30％的目标。

 

　　美国宇航局NASA终选择了由波音公司制造的CCTD II期直径为5.5米的演示低温试验储罐，该储罐是无里衬结构，随后于2014年在NASA MSFC上进行了测试，通过了一系列的填充和排水测试，其中包含具有可接受渗透率的低温液态氢。与金属铝相比，重量减轻了35％，其制备工艺采用了高压釜外固化石墨/环氧材料及工艺，能够制造大直径（大10 m）的低温储罐，并使用薄层预浸料以大程度地减少氢透过罐壁 。随后成功通过循环压力测试，并且直径5.5 m的低温容器也经受了飞行载荷和压力载荷试验。

 

　　2、欧洲CHATT项目CFRP低温储罐技术进展

 

　　CHATT项目已成为欧洲委员会第七框架计划的一部分，并由DLR-SART代表该委员会在跨国合作中运行。在CHATT项目开始之前尚未解决与储罐重量、摇晃和绝缘有关的问题。

 

　　CHATT项目核心目标之一是研究CFRP低温压力罐，在该项目中已经设计，制造和测试了四种不同的CFRP储罐，并研究了使用有里衬/无里衬低温储罐设计的优缺点，以及与实现更复杂的几何油箱形状所面临的问题。

 

　　虽然欧洲CFRP低温储罐技术尚未达到美国所展示的水平，但通过CHATT项目也取得了一些进展：

 

　　※DLR带里衬的圆柱罐（如下所示）
 

 

　　主要参数如下：
 

 

　　※FOI/SICOMP不带里衬的圆柱罐

 

　　※TU Delft带里衬但具有复杂结构的储罐

 

　　※ ALE采用干式缠绕圆柱形储罐（如下所示）
 

 

　　CHAT项目研究工作包括了里衬材料机械性能对低温储罐应用温度的依赖性的研究，还研究了将里衬材料粘合到基础层压板上的方法，以便评估与CFRP储罐壁中的破损接触时不同衬里候选材料的性能。

 

　　欧洲CHATT项目要研究的所有先进低温储罐技术都是基于未来高超音速飞机配置的系统需求驱动的，此类运载工具如LAPCAT A2，LAPCAT M8和SpaceLiner正在其他欧盟资助的合作项目LAPCAT和FAST20XX 中进行研究。

 

　　未来的洲际高速客运飞机可能是依托火箭推进的亚轨道飞行器，这种两级RLV概念已由DLR以SpaceLiner为命名提出，它可以在90分钟内完成欧洲-澳大利亚之类的超长距离飞行。下图显示了经过几个多次优化后形成的SpaceLiner7。SpaceLiner的两个火箭动力级之间的推进剂交叉进给可显着提高性能。而低温储罐的高效推进剂储存技术对于高速飞行器安全运行至关重要。

 

SpaceLiner7号火箭驱动的高超音速客运飞机

 

　　综上所述，欧洲研发低温储罐系统主要是基于高超音速飞行器的需求，而美国开展低温储罐的主导机构是美国宇航局NASA，据预测，未来一段时间内高端的航空航天将会是CFRP低温储罐系统重点应用领域。