如果说铝锂合金能明显减少箭体质量的话，那碳纤维材料贮箱将会更加显著地改善火箭运载能力。因为据计算使用碳纤维材料的贮箱可以实现减重30%，这是非常可观的数字。

 

 

       现在很多飞机已经尤其是高端飞机和先进的军 用飞机等。在民用航天领域，也有不错的表现，比如我国的嫦娥三号月球探测器，燃料贮箱就是碳纤维材料的，很多卫星也是这样。但是大型的火箭贮箱，目前还没有真正实用的先例，或者说没有成功发射过。

 

       不过，美国已经在研发碳纤维贮箱了，波音公司已经制作出大直径碳纤维材料贮箱了，也通过了实验验证，下一步可能需要装到火箭上发射试验。spaceX公司未来的大火箭也将采用碳纤维材料贮箱，目前正在研发。

 

 

 

       中国航天使用碳纤维复合材料并不晚，最早是1984年，首先在国产卫星上使用了碳纤维复合材料结构件，从此开创了中国航天使用碳纤维复合材料的时代，后面应用程度越来越高，技术越来越先进。那位朋友可能会说了，不是说美国和日本禁止向中国销售碳纤维复合材料吗？中国怎么在1984年就开始使用碳纤维复合材料了呢？

 

       其实，美日限制销售的是最先进的碳纤维复合材料，而且严格限制销售是近几年的事情。早先中国卫星上使用的并不是最先进的碳纤维复合材料，一些低端的碳纤维复合材料还是可以购买到的。低端碳纤维虽然不能让卫星获得最优的性能，不适合制造太重要的部件，但也比使用传统金属合金更节省重量。碳纤维复合材料在卫星上使用，为中国更大范围使用碳纤维复合材料奠定了良好的基础。

 

       中国在卫星上使用碳纤维复合材料比例还是很高的，并不见得比发达国家少多少。甚至探月卫星嫦娥一号的燃料贮箱都是用碳纤维复合材料来制造，后面的嫦娥工程就更不必说了。

 

       虽然碳纤维用到卫星上是非常普遍的事情，但是用到火箭上却并不见得那么轻松。考虑到碳纤维复合材料高昂的价格，火箭上大规模使用碳纤维复合材料，直到今天也是非常奢侈的事情。大家已经直到美国SpaceX公司的星舰，早先选择的是碳纤维复合材料设计方案，现在已经替换成了不锈钢外壳。中国的长征11号、印度的固体火箭，直到今天都在用不锈钢外壳。前几年只有美国、日本、欧空局的固体火箭助推器使用碳纤维复合材料外壳，中国刚面世的力箭一号才开创了中国火箭大规模使用碳纤维复合材料的年代。液体火箭燃料贮箱，更是几乎没有使用碳纤维复合材料的。

 

       其最主要的原因，还是因为碳纤维复合材料的成本太高了，大范围使用这种材料会明显增加火箭的发射成本，得不偿失。当然并不是说火箭使用碳纤维复合材料一定不划算，也不是说以后永远不能大范围使用。只要使用的地方得当，火箭上用碳纤维复合材料还是很划算的。

 

 

       在欧洲航天局的支持下，德国航空航天公司“MT aerospace”推出了一种独特的设计，一种由碳纤维增强塑料制成的小型火箭燃料箱。该燃料箱可以容纳液氢和液氧而不泄漏，也不需要使用金属衬里。

 

       由于不使用金属，这种新型燃料箱要轻得多。根据欧洲航天局的说法，组装它所需的部件将更少，与其他燃料箱设计相比，它是一种更快、更便宜的替代方案。任何减轻航天器重量的方法都是一种福音，重量的减轻意味着可以装载更多的燃料，这样才能将更重的载荷送入轨道及更远的地方。

 

       欧空局未来发射器准备项目的项目经理凯特·安德希尔（Kate Underhill）说：“这是向前迈进的一大步。我们已经发现了一种非常特殊的碳复合材料和加工方法，这将使我们能够考虑火箭上级的新架构和功能组合，这是使用金属是不可能实现的。”

 

 

       火箭的上级对于高空和太空推进非常重要，根据欧空局太空运输部主任丹尼尔·纽恩施万德（Daniel Neuenschwander）的说法，将上级从铝改成碳复合材料，可能会产生额外2吨的有效载荷能力。

 

       新的碳纤维增强塑料设计通过了低温压力测试，以了解燃料箱在将推进剂冷却至 -253˚C（-423.4 华氏度）时的表现。原来的金属材质是密封的，为了用碳复合材料重现相同的特性，需要黑色碳纤维和特殊树脂的复杂编织。该材料在许多单独的测试中都能抵抗低温、压力循环和反应性物质。

 

 

       阿丽亚娜6号和织女星-C都携带CFRP有效载荷整流罩，作为阿丽亚娜6号助推器和织女星c第一级的P120C固体燃料火箭发动机的机身是世界上最大的单件式碳纤维增强材料结构之一。

 

       由于碳纤维的存在，现代火箭的性能也有所提高。更确切地说，碳纤维增强塑料（CFRP）作为一种使用超强碳纤维对粘合树脂进行增强得到的复合材料是减少火箭质量，从而增加其可携带有效载荷质量的好方法。阿丽亚娜6号和织女星-C都携带CFRP有效载荷整流罩，作为阿丽亚娜6号助推器和织女星c第一级的P120C固体燃料火箭发动机的机身是世界上最大的单件式碳纤维增强材料结构之一。

 

       但是，CFRP在火箭结构中能走得更远，并取代火箭低温燃料箱中的金属结构吗？这就是欧洲航空航天局（ESA）Phoebus计划的目标，该计划旨在生产碳纤维的上层储罐和结构，根据最新的测试结果纤维CFRP低温燃料箱已通过测试。

 

 

       理论上，基于Phoebus技术的上一级设计的轻量化足以为阿丽亚娜6号火箭的有效载荷性能增加约1500公斤。这种减少源于CFRP本身固有的轻质性及其巨大的设计灵活性，这使得能够生产出具有新颖形状和比金属结构更少零件的结构,生产成本也可以更低。

 

       根据设计原则可以制造防泄漏CFRP储罐后，欧空局通过其未来发射器准备计划，于2022年与Ariane Group和MT Aerospace签订合同，从早期设计研究到低温上层储罐和结构的生产和测试。

 

        在2023年下半年，Phoebus经历了一系列难度越来越大的测试。目标是将一个中等规模的氧气罐暴露在几乎实际发射的热负荷和机械负荷下。第一次测试在德国MT Aerospace进行，该公司与ArianeGroup合作设计和制造了该储罐。

 

       够坚固，可以取代火箭末级结构中使用的金属

 

       首先是10月份的氦气测试：传统的金属储罐在室温下用氦气进行泄漏测试。如果CFRP储罐能够通过这项测试，那么这既表明“无衬里”防漏CFRP罐的基本概念是可行的，也表明它可以进行更深入的测试。

 

       接下来是同样在10月进行的低温压力测试：在-196°C的温度下和13巴（海平面地球平均大气压力的13倍）的压力下，储罐在充满液氮的情况下将其固定在一起，超过了作为真正的火箭储罐所需承受的应力。

 

       欧空局未来发射器项目的上层和推进演示项目经理Kate Underhill表示，了解CFRP罐在这些冷却测试中的热性能也很重要。液氢必须保持在-253°C，否则它会沸腾成气体，而氧气在储罐中保持在-183°C。CFRP的导热性不如铝，因此储罐冷却所需的时间更长，储罐的温度图也不同，与液体推进剂不接触的部件比金属储罐更热。

 

       Phoebus团队安装并测试了一种新的方法，可以测量火箭在飞行过程中燃烧时燃料箱中的推进剂含量。利用电容层析成像技术测试表面，这种方法比目前的液位传感器更精确，而且它们可以被整合到未来的火箭中，以减少为弥补测量误差而需要携带的额外燃料量。

 

       接下来是最微妙的部分是液氧测试。由于这个测试如果出了问题可能会很危险，所以在2023年12月，Phoebus被转移到德国Unterlüß的Rheinmetall军事测试场，这里最适合处理潜在的严重火灾！

 

       使用CFRP作为燃料箱的最大挑战之一是碳纤维复合材料与氧气的化学反应性很强。因此，需要仔细选择树脂和纤维材料，同时始终关注所选树脂和纤维的潜在密封性。

 

       “Phoebus进展顺利，氧气罐测试取得了圆满成功，氧气罐完美地将其固定在一起——没有起火，没有爆炸。”Kate说，“遗憾的是，我们的小罐的考验和磨炼还没有结束。它已经被运回MT Aerospace，在那里它将被推拉同时也被加压，以模拟发射器飞行的复杂条件。然后，这个CFRP罐将在实验室中被切开进行详细检查。”

 

       CFRP氧气罐概念的下一步是制造一个直径近4米的全尺寸版本，以匹配Ariane 6的尺寸。随后将在德国航空航天局（DLR）位于Lampoldshausen的推进试验场进行CFRP储罐测试。项目最终目标是在阿丽亚娜6号的新一级上使用这种储罐和结构，从而比现有的金属储罐更轻、更便宜。