郭方亮 刘德博 邬 桃 吴会强 付绍云

（1 重庆大学航空航天学院，重庆 400044）

（2 北京宇航系统工程研究所，北京 100076）

0 引言

针对未来航天运输需求的增加，研制可重复使用运载器是航天领域的重要前沿技术之一。结构质量是运载系统的重点关注指标，用于储存液氧、液氢等低温推进剂（液氢：−253 ℃、液氧：−183 ℃）的贮箱结构，在运载器系统中占据较大质量比例。故低温贮箱是航天运载器动力系统和结构系统的关键部件，其轻质化水平决定着运载器的主要性能指标［1］。可重复使用运载器要求贮箱净重与发射总质量比值低于10%，而传统金属材料贮箱基本无法实现该要求［2］。低温贮箱用材料的发展经历了铝镁系合金、铝铜系合金、铝锂系合金等金属材料阶段，再到复合材料壳体−金属内衬贮箱阶段，目前研究方向是发展无内衬复合材料贮箱。

1987年，美国MDA公司针对氢分子易渗漏和复合材料低温力学性能差两大难题，研发出了首个复合材料液氢贮箱成品［3］。随后，MDA公司与NASA进一步开启了液氧环境用复合材料贮箱的研究工作［4］。2001年，洛克−希德马丁公司和NASA联合宣布成功研制出了Φ1.1 m的复合材料液氧贮箱［图1（a）］［5］。2013年与2014年，NASA与波音公司合作，分别完成了Φ2.4 m与Φ5.5 m的复合材料低温贮箱测试试验［图1（b）和（c）］，研究表明其贮箱质量比目前先进的金属贮箱轻30%以上，制造成本低25%，被评为2014年十大国防材料技术突破之一［6］。2016年Space X公布了其“星际运输系统”的两个最关键的技术之一——Φ12 m的碳纤维复合材料液氧贮箱［图1（d）］［7］。在明显的减重效率及经济优势的驱动下，世界上的其他国家也加大了对低温贮箱的开发力度，日本HOPE−X和SSTO计划、欧空局FESTIP和FLPP计划均将其作为重点研究目标［1］。……