于 斌，劉志棟，趙為偉，申 健，靳慶臣，栗 剛，程 彬

(1.蘭州空間技術(shù)物理研究所航天壓力容器研制中心，甘肅 蘭州730000;2.空軍駐甘肅軍代表室，甘肅蘭州 730000)

2.2 航空領(lǐng)域

航空工業(yè)部301所針對(duì)航空用金屬氣瓶研制推出了HB 6134—87《航空氣瓶通用技術(shù)條件》，對(duì)金屬氣瓶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、工藝控制、試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)要求提出了較為全面的指導(dǎo)，對(duì)航空用復(fù)合材料氣瓶環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)起到一定的借鑒作用。北京玻璃鋼研究院推出了GJB 392—87《航空用玻璃纖維增強(qiáng)塑料壓力容器》，對(duì)航空用焊接鋁內(nèi)襯全纏繞玻璃纖維復(fù)合材料氣瓶的研制具有一定的指導(dǎo)意義。1963年，Brunswick公司為美國(guó)軍用噴氣式飛機(jī)引擎重啟系統(tǒng)研制了塑料內(nèi)襯玻璃纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶，氣瓶研制參考標(biāo)準(zhǔn)為MIL－T－25363。

俄羅斯針對(duì)航空用復(fù)合氣瓶推出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)OCT 1 03749—74《工作壓力為21 MPa的復(fù)合材料氣瓶類(lèi)型與基本參數(shù)、技術(shù)要求》，規(guī)定安全系數(shù)為2.6，氣瓶鑒定試驗(yàn)高溫溫度為140℃，復(fù)合層應(yīng)采用耐高溫環(huán)氧樹(shù)脂;該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定氣瓶機(jī)械接口為W30.3錐螺紋密封，此密封方式受螺紋精度、密封材料、密封工藝、密封場(chǎng)地環(huán)境和人為因素影響很大。目前蘭州空間技術(shù)物理研究所通過(guò)大量試驗(yàn)攻關(guān)，已經(jīng)掌握密封關(guān)鍵技術(shù);標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定氣瓶為滿(mǎn)足無(wú)高能量沖擊碎片的安全槍擊失效模式，增強(qiáng)纖維必須選擇玻璃纖維，而蘭州空間技術(shù)物理研究所通過(guò)金屬內(nèi)襯碳纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶的研制表明，通過(guò)合理的內(nèi)襯設(shè)計(jì)、工藝處理和纖維損傷保護(hù)設(shè)計(jì)，應(yīng)用碳纖維進(jìn)行纏繞同樣可以滿(mǎn)足要求，相比玻璃纖維纏繞氣瓶重量顯著減輕，應(yīng)力斷裂壽命顯著提高。

2.3 民用領(lǐng)域

2.3.1 壓縮氣體和液化氣體用復(fù)合材料氣瓶

針對(duì)壓縮氣體和液化氣體用復(fù)合材料氣瓶的研制，ISO于2002年批準(zhǔn)了一套標(biāo)準(zhǔn):ISO 11119《復(fù)合材料氣瓶規(guī)范和試驗(yàn)方法》。ISO 11119標(biāo)準(zhǔn)適用于 V≤450 L，PT≤65 MPa(PW≤2PT/3，Pb≥2PT)、壽命≥10年、單極孔或雙極孔的無(wú)縫內(nèi)膽復(fù)合材料氣瓶。ISO 11119 －1［27］，ISO 11119 －2［28］，ISO 11119 － 3［29］分別適用于環(huán)向纏繞復(fù)合氣瓶(Pbl≥0.85PT)、承載金屬內(nèi)膽纖維纏繞增強(qiáng)全纏繞復(fù)合氣瓶、非金屬內(nèi)膽和不承載金屬內(nèi)膽纖維增強(qiáng)全纏繞復(fù)合氣瓶的研制(Pbl≤Pb/20)(其中，V為容積、PW為工作壓力、Pbl為內(nèi)襯爆破壓力)。

ISO 11119規(guī)定無(wú)縫金屬內(nèi)膽材質(zhì)可為鋼、不銹鋼或鋁合金。增強(qiáng)纖維可為碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維或混雜使用，環(huán)向增強(qiáng)復(fù)合氣瓶可采用鋼絲纏繞。ISO 11119第1，2部分對(duì)無(wú)縫內(nèi)膽提出了專(zhuān)門(mén)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)ISO 9809－1，ISO 9809－2，EN 1964－3，ISO 7866)，環(huán)向纏繞氣瓶?jī)?nèi)襯爆破試驗(yàn)應(yīng)符合從筒體開(kāi)裂、保持一個(gè)整體;第3部分規(guī)定了內(nèi)膽選材(見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)ISO 11114－1，ISO 11114－2)和金屬氣嘴與非金屬內(nèi)膽的粘結(jié)結(jié)構(gòu)和密封性。ISO 11119規(guī)定氣瓶疲勞壽命(0.1 ～1.0)PT為 12000 次或者(0.1 ～1.0)PMEOP為24000次，氣瓶滿(mǎn)足無(wú)泄漏、無(wú)爆破為合格，必須保證氣瓶金屬內(nèi)襯在整個(gè)服役過(guò)程中處于彈性狀態(tài)，金屬內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶的疲勞壽命取決于內(nèi)襯，因此，合理地控制內(nèi)襯應(yīng)力水平是滿(mǎn)足疲勞性能的關(guān)鍵。

ISO 11119規(guī)定不同纖維、采用不同應(yīng)力比，這也是根據(jù)復(fù)合材料機(jī)械強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、老化性能、濕熱腐蝕高溫等環(huán)境影響程度和設(shè)計(jì)形式綜合考慮的結(jié)果，對(duì)碳纖維復(fù)合氣瓶外部必須設(shè)計(jì)一層保護(hù)層，能夠提高其抗沖擊和耐磨損性能。

2.3.2 車(chē)用壓縮天然氣氣瓶

針對(duì)車(chē)用壓縮天然氣氣瓶(CNG)的研制，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化組織于1992年8月制訂了ANSI/AGA NGV2—1992《車(chē)用壓縮天然氣氣瓶》，該標(biāo)準(zhǔn)是世界范圍內(nèi)首部較為全面的CNG氣瓶專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)，其提出以性能試驗(yàn)為核心，在設(shè)計(jì)、制造、材料及試驗(yàn)方法方面非常適合世界范圍內(nèi)氣瓶生產(chǎn)廠(chǎng)家的實(shí)際需求和氣瓶產(chǎn)業(yè)新技術(shù)的發(fā)展，在世界范圍內(nèi)得到了普遍認(rèn)可，現(xiàn)行版本為NGV2—2000［30］。NGV2首次依據(jù)CNG氣瓶發(fā)展的歷史階段，將其劃分為四類(lèi):CNG－1型:金屬氣瓶;CNG－2型:金屬內(nèi)膽環(huán)向纖維纏繞氣瓶;CNG－3型:金屬內(nèi)膽全纖維纏繞氣瓶;CNG－4型:全復(fù)合材料氣瓶。CSA，ISO，CEN，MITI標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的復(fù)合氣瓶標(biāo)準(zhǔn)都借鑒了NGV2的分類(lèi)方法。

ISO于2000年批準(zhǔn)了一套標(biāo)準(zhǔn):ISO 11439《車(chē)用壓縮天然氣高壓氣瓶》［31］，規(guī)定纖維應(yīng)力斷裂系數(shù)分別為:玻璃纖維3.65、芳綸纖維3.10和碳纖維2.35。該標(biāo)準(zhǔn)主要協(xié)調(diào)了歐洲各國(guó)CNG氣瓶的研制思想，吸納了以往20年CNG氣瓶的研制經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，具有普遍的指導(dǎo)意義。由于中國(guó)目前尚未制定CNG氣瓶的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)CNG氣瓶企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定大都參照ISO 11439。澳大利亞于2002年推出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)AS 4838—2002《車(chē)上貯存機(jī)動(dòng)車(chē)用天然氣燃料用高壓氣瓶》［32］。CSA B51—95于1995年1月批準(zhǔn)實(shí)施，該標(biāo)準(zhǔn)原系加拿大國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，后由加拿大地方當(dāng)局用于認(rèn)證NGV燃料容器。

ISO 11439，NGV2—2000和 CSA B51等標(biāo)準(zhǔn)起草委員會(huì)已經(jīng)協(xié)調(diào)了各標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系，尤其在試驗(yàn)方法和材料要求方面，以便各標(biāo)準(zhǔn)之間的要求和檢驗(yàn)結(jié)果能夠相互通用［33］。

日本氣體協(xié)會(huì)于1998年公布了《汽車(chē)用壓縮天然氣容器公告》(JGA)，是一部關(guān)于汽車(chē)用壓縮天然氣容器設(shè)計(jì)、制造檢驗(yàn)、認(rèn)證和使用的十分全面而具體的標(biāo)準(zhǔn)。韓國(guó)所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)與NGV2一致，此外，俄羅斯、德國(guó)(DIN 571034)、新西蘭(NIS 5454—1989)也制定了汽車(chē)用壓縮天然氣氣瓶的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.3 呼吸氣瓶

針對(duì)呼吸氣瓶的研制，美國(guó)壓縮氣體協(xié)會(huì)(CGA)分別于1970年和1982年推出了 DOT FRP－1《FRP纖維增強(qiáng)3FC型復(fù)合材料氣瓶基本要求》和DOT FRP－2《FRP纖維增強(qiáng)3HW型復(fù)合材料氣瓶的基本要求》，DOT FRP－1和DOT FRP－2分別適用于全纏繞和環(huán)向纏繞復(fù)合氣瓶的研制，兩標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氣瓶的性能參數(shù)規(guī)定大致相同，適用于 V≤90.7 L，6.2 MPa≤PW≤34.5 MPa、壽命≤15年的呼吸用氣瓶，纖維材料可選玻璃纖維和芳綸纖維，內(nèi)襯材料可選鋼和鋁合金。該類(lèi)型氣瓶主要應(yīng)用于消防自給式呼吸氣瓶、家用氧氣儲(chǔ)存、飛機(jī)排出系統(tǒng)、直升機(jī)懸浮系統(tǒng)充氣、公交車(chē)、卡車(chē)和小轎車(chē)的壓縮氣體儲(chǔ)存和各種氣動(dòng)系統(tǒng)。CGA和DOT于1993年聯(lián)合制定了DOT FRP－3標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了損傷容限檢驗(yàn)包括跌落試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、缺陷試驗(yàn)和槍擊試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)頒布初期，Brunswick公司通過(guò)碳纖維和玻璃纖維混雜纏繞研制的氣瓶通過(guò)了DOT FRP－3的損傷容限檢驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)。

歐洲地區(qū)政府于1994年許可碳纖維復(fù)合氣瓶呼吸器的商業(yè)使用，即無(wú)縫薄壁鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶，碳纖維氣瓶呼吸器在使用過(guò)程中面罩內(nèi)始終保持正壓，更加安全，美國(guó)和日本政府在1997年許可使用。針對(duì)碳纖維纏繞氣瓶，歐洲標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(CEN)于1999年7月推出了PrEN 12245《可移動(dòng)氣瓶——全纏繞復(fù)合材料氣瓶》［34］，目前中國(guó)呼吸氣瓶采購(gòu)規(guī)范中多引用該標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)運(yùn)輸部于2000年11月推出DOTCFFC《鋁內(nèi)膽全纏繞碳纖維復(fù)合氣瓶基本要求》［35］，DOT －CFFC—2000 適用于使用壽命為15年、V≤90.7 L，PW≤34.5 MPa，N≥3.4 的碳纖維纏繞鋁內(nèi)膽復(fù)合材料氣瓶，對(duì)設(shè)計(jì)、制造和性能檢測(cè)做了規(guī)定和要求，其規(guī)定了內(nèi)膽和纖維層的材料組分和性能，對(duì)各個(gè)壓力過(guò)程下氣瓶的應(yīng)力分布和應(yīng)力值也做了規(guī)定，目前部分中國(guó)呼吸用復(fù)合氣瓶單位參照該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)合材料氣瓶的制造，該標(biāo)準(zhǔn)在2007年5月進(jìn)行了第5次修訂。

2.3.4 纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器

美國(guó)ASME第十篇為纖維增強(qiáng)塑料壓力容器［36］。該標(biāo)準(zhǔn)于1977年出版，適用于碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維纏繞壓力容器，規(guī)定如下:PMEOP為20.6 MPa，N 為 5、低溫和高溫疲勞壽命分別為3000次和30000次。1985年，中國(guó)哈爾濱玻璃鋼研究院起草了GB/T 6058《纖維纏繞壓力容器制備和內(nèi)壓試驗(yàn)方法》，現(xiàn)行版本為2005，規(guī)定了復(fù)合壓力容器的制備方法和內(nèi)壓試驗(yàn)及強(qiáng)度計(jì)算。

3 中國(guó)復(fù)合氣瓶標(biāo)準(zhǔn)制定面臨的問(wèn)題及分析

3.1 航天系統(tǒng)用復(fù)合材料氣瓶標(biāo)準(zhǔn)分析

目前，中國(guó)尚無(wú)航天系統(tǒng)用碳纖維纏繞復(fù)合氣瓶的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或軍用標(biāo)準(zhǔn)，而航天系統(tǒng)復(fù)合材料氣瓶增強(qiáng)纖維應(yīng)用的歷史可以理解為:從最早應(yīng)用的E玻璃纖維、S玻璃纖維，到后來(lái)應(yīng)用的K49芳綸纖維、IM －6，T－40，T－700碳纖維，現(xiàn)在幾乎全部應(yīng)用T1000碳纖維。氣瓶總體單位在方案階段和驗(yàn)收階段與承制單位在研制過(guò)程中都缺少標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的技術(shù)指導(dǎo)，如性能指標(biāo)、材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全設(shè)計(jì)、壽命分析、制造工藝、過(guò)程控制、檢測(cè)試驗(yàn)、驗(yàn)收要求等方面。而且航天壓力容器技術(shù)指標(biāo)要求很高，如可靠性、安全性、結(jié)構(gòu)質(zhì)量、性能等方面，因此迫切需要制定一部航天系統(tǒng)用復(fù)合材料氣瓶軍用標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)目前航天用復(fù)合氣瓶的技術(shù)要求、材料和制造工藝特點(diǎn)，急需一部金屬內(nèi)襯高強(qiáng)碳纖維全纏繞圓柱形復(fù)合材料氣瓶的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)制定應(yīng)在航天COPV研制基礎(chǔ)上，根據(jù)國(guó)內(nèi)航天COPV生產(chǎn)廠(chǎng)家的實(shí)際技術(shù)水平，參考國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)制定。

相比較國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)在壽命預(yù)測(cè)、損傷控制、無(wú)損檢測(cè)及安全設(shè)計(jì)方面較為領(lǐng)先，如ANSI/AIAA S－081A和ISO 14623等標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)應(yīng)借鑒以下方面:(1)增強(qiáng)纖維應(yīng)力斷裂系數(shù)，全尺寸及小比例樣件確定纖維許用應(yīng)力的試驗(yàn)方法;(2)應(yīng)力斷裂壽命預(yù)測(cè)技術(shù)，疲勞循環(huán)壽命預(yù)測(cè)技術(shù);(3)機(jī)械損傷防護(hù)過(guò)程控制方法，確定機(jī)械損傷檢測(cè)、評(píng)價(jià)方法，評(píng)定機(jī)械損傷對(duì)強(qiáng)度性能降級(jí)的影響、氣瓶許用機(jī)械損傷容限的確定;(4)金屬內(nèi)襯與復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù);(5)LBB失效模式設(shè)計(jì)，金屬內(nèi)襯預(yù)制缺陷的LBB失效模式試驗(yàn)驗(yàn)證方法;(6)金屬內(nèi)襯、復(fù)合材料增強(qiáng)纖維和樹(shù)脂材料許用條件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、無(wú)損檢測(cè)、性能檢驗(yàn)方法［37］。

復(fù)合材料氣瓶強(qiáng)度性能是影響氣瓶安全使用的關(guān)鍵因素［38－41］，空間氣瓶強(qiáng)度設(shè)計(jì)是有效載荷和應(yīng)力斷裂壽命兩項(xiàng)指標(biāo)折中的結(jié)果，主要靠復(fù)合材料氣瓶纖維應(yīng)力斷裂系數(shù)來(lái)體現(xiàn)。美國(guó)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料工業(yè)公司(SCI)對(duì)復(fù)合材料氣瓶應(yīng)力斷裂壽命研究表明，金屬內(nèi)襯碳纖維纏繞氣瓶在承壓工作狀態(tài)下，纖維處于高應(yīng)力水平，兩個(gè)復(fù)合材料氣瓶分別在18個(gè)月和22個(gè)月發(fā)生纖維應(yīng)力斷裂氣瓶失效，而工作狀態(tài)下處于中等或低應(yīng)力水平的復(fù)合材料氣瓶在3年中未發(fā)生失效，SCI未表明高、中等和低應(yīng)力水平的比例，但根據(jù)ANSI/AIAA S－081A規(guī)定的纖維應(yīng)力斷裂系數(shù)為1.5，推斷氣瓶在工作條件碳纖維應(yīng)力水平在斷裂極限的66.7%以下，碳纖維纏繞氣瓶可具有長(zhǎng)期的應(yīng)力斷裂壽命。筆者通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，NASA空間系統(tǒng)復(fù)合材料氣瓶的應(yīng)力斷裂系數(shù)按照 ANSI/AIAA S－081A執(zhí)行，但氣瓶實(shí)際強(qiáng)度余量一般大于35%，氣瓶實(shí)際爆破強(qiáng)度因子(ABF)一般大于2，氣瓶ABF調(diào)研如表1所示。

表1 空間用復(fù)合材料氣瓶ABF技術(shù)參數(shù)

蘭州空間技術(shù)物理研究所也針對(duì)氣瓶強(qiáng)度與可靠性的關(guān)系進(jìn)行了研究［42］，研究表明:針對(duì)空間用某型鈦內(nèi)襯T1000碳纖維纏繞氣瓶，采用1.5倍安全系數(shù)，作為一種較嚴(yán)重估計(jì)，設(shè)復(fù)合材料強(qiáng)度的年衰減比例為5%，以工作壓力恒壓承載條件下，2年壽命末期概率從不修正情況的0.999957減小為 0.99984，對(duì)應(yīng) 4 年后的可靠度降為0.99908。采用2倍安全系數(shù)，同樣方法計(jì)算，2年和4年壽命對(duì)應(yīng)的可靠度為0.999957和0.999951，實(shí)際上對(duì)應(yīng)可靠度為0.9990的工作壽命在107年以上，在不考慮環(huán)境因素影響的條件下，可以認(rèn)為氣瓶不存在應(yīng)力斷裂失效的可能。纖維應(yīng)力斷裂系數(shù)取1.5的復(fù)合材料氣瓶，僅僅適用于運(yùn)載火箭或衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用的短周期服役壽命復(fù)合材料氣瓶，而針對(duì)目前空間飛行器長(zhǎng)壽命、高可靠的要求，借鑒西方空間應(yīng)用復(fù)合材料氣瓶實(shí)際爆破強(qiáng)度因子的結(jié)果，中國(guó)空間用復(fù)合材料氣瓶纖維應(yīng)力斷裂系數(shù)應(yīng)不小于2。航天用復(fù)合氣瓶使用壽命與航天器所肩負(fù)的使命有關(guān)，根據(jù)具體情況合理確定使用壽命。

3.2 航空系統(tǒng)用復(fù)合材料氣瓶標(biāo)準(zhǔn)分析

目前，中國(guó)尚無(wú)航空用復(fù)合材料氣瓶通用規(guī)范，根據(jù)航空系統(tǒng)的不同需求，氣瓶研制在材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝、性能功能測(cè)試、驗(yàn)收要求方面都存在一定的差異，因此迫切需要制定一部航空用金屬內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶通用規(guī)范，以滿(mǎn)足承制單位實(shí)際需求和航空復(fù)合材料氣瓶技術(shù)發(fā)展需要。

根據(jù)目前航空復(fù)合材料氣瓶的發(fā)展需求，筆者認(rèn)為:從可靠性角度分析，航空氣瓶?jī)?nèi)襯宜選擇金屬內(nèi)襯而不宜選用塑料內(nèi)襯;從加工工藝性角度分析，金屬內(nèi)襯宜選用焊接鋼、鈦內(nèi)襯或無(wú)縫旋壓鋁內(nèi)襯，由于目前無(wú)縫旋壓鋁內(nèi)襯的質(zhì)量穩(wěn)定性、價(jià)格和疲勞壽命影響，應(yīng)主要采用焊接鋼內(nèi)襯;從安全壽命、輕質(zhì)高強(qiáng)和安全設(shè)計(jì)角度分析，航空氣瓶宜采用高強(qiáng)碳纖維與玻璃纖維或芳綸纖維混雜纏繞或外層制備耐磨抗沖擊損傷保護(hù)層;從形狀角度考慮，航空系統(tǒng)采用的壓力容器一般為優(yōu)先選用圓柱形，其次為球形和環(huán)形;從安全失效模式角度考慮，氣瓶需保證爆破前先泄漏的失效模式、安全壽命、無(wú)高能量沖擊碎片的槍擊失效模式;從產(chǎn)品性能功能測(cè)試覆蓋性角度分析，復(fù)合材料氣瓶宜進(jìn)行全面的性能試驗(yàn)和環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)。

為保證航空系統(tǒng)用復(fù)合材料氣瓶具有較高的可靠性和安全性，所研制復(fù)合材料氣瓶必須能夠經(jīng)受全面的性能鑒定試驗(yàn)和環(huán)境鑒定試驗(yàn)，包括:驗(yàn)證壓力試驗(yàn)、常溫氣密性試驗(yàn)、高溫氣密性試驗(yàn)、低溫氣密性試驗(yàn)、高溫貯存試驗(yàn)、高溫工作試驗(yàn)、低溫貯存試驗(yàn)、低溫工作試驗(yàn)、溫度沖擊試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)、霉菌試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、溫度高度試驗(yàn)、加速度試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、炮擊振動(dòng)試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)、火燒試驗(yàn)、槍擊試驗(yàn)、常溫環(huán)境疲勞試驗(yàn)、低溫環(huán)境疲勞試驗(yàn)、濕熱環(huán)境疲勞試驗(yàn)和水壓爆破試驗(yàn)。

HB 6134—87，GJB 392—87和俄國(guó)標(biāo)準(zhǔn) OCT 1 03749—74對(duì)航空用復(fù)合氣瓶槍擊試驗(yàn)條件不同，技術(shù)參數(shù)如表2所示。無(wú)高能量沖擊碎片的槍擊失效模式是航空軍用飛機(jī)復(fù)合材料氣瓶安全設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，需確定合理的試驗(yàn)驗(yàn)證方法，根據(jù)子彈沖擊與氣瓶作用損傷分析，采用不同的射擊方向和氣瓶中彈位置進(jìn)行試驗(yàn)，如美國(guó)SCI復(fù)合材料公司為本國(guó)某軍機(jī)研制的ALT－383A復(fù)合材料氣瓶槍擊試驗(yàn)條件如表3所示，試驗(yàn)氣瓶為工作狀態(tài)，安裝方式應(yīng)模擬真實(shí)安裝結(jié)構(gòu)，子彈直徑、初速和射擊距離應(yīng)綜合考慮服役狀態(tài)。

表2 標(biāo)準(zhǔn)槍擊試驗(yàn)條件技術(shù)參數(shù)對(duì)比

表3 美國(guó)空軍ALT－383A氣瓶槍擊試驗(yàn)條件

美國(guó)空軍ALT－383A復(fù)合材料氣瓶鑒定試驗(yàn)共有7個(gè)試驗(yàn)件，試驗(yàn)件的破壞性試驗(yàn)如下:Q1為水壓爆破試驗(yàn)，Q3，Q4，Q5為槍擊試驗(yàn)，Q6，Q7為火燒試驗(yàn)。可見(jiàn)美國(guó)空軍對(duì)復(fù)合氣瓶受槍擊和火燒后表現(xiàn)的重視。復(fù)合氣瓶強(qiáng)度性能受工藝影響較大，強(qiáng)度性能具有離散性，僅用一個(gè)鑒定子樣驗(yàn)證最大設(shè)計(jì)壓力是不科學(xué)的，不能體現(xiàn)性能試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)對(duì)氣瓶強(qiáng)度性能降級(jí)的影響，因此鑒定試驗(yàn)矩陣(QTM)的合理確定十分重要，需全面覆蓋所有必要的重要性能。

中國(guó)現(xiàn)有復(fù)合材料氣瓶標(biāo)準(zhǔn)均未對(duì)氣瓶保護(hù)層作出規(guī)定，作為航空COPV需經(jīng)受?chē)?yán)酷的環(huán)境影響。濕熱、霉菌、鹽霧環(huán)境考驗(yàn)保護(hù)層抗腐蝕性能，力學(xué)環(huán)境考驗(yàn)保護(hù)層力學(xué)性能和其與基材粘結(jié)強(qiáng)度，濕熱環(huán)境試驗(yàn)和火燒災(zāi)害考驗(yàn)保護(hù)層和基材的熱穩(wěn)定性，航空軍用飛機(jī)需定期檢修或大修，而在狹小機(jī)艙中拆卸和運(yùn)送氣瓶極易對(duì)氣瓶產(chǎn)生碰撞或掛擦，保護(hù)層的抗沖擊和抗磨損性能設(shè)計(jì)也是必要的，因此對(duì)保護(hù)層的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和氣瓶本身同樣重要，是提高氣瓶可靠性、安全性的關(guān)鍵因素。

航空復(fù)合材料氣瓶強(qiáng)度性能是影響氣瓶安全使用的關(guān)鍵因素，航空系統(tǒng)對(duì)復(fù)合材料氣瓶疲勞壽命有較高的要求，因此也要求氣瓶足夠的強(qiáng)度以滿(mǎn)足使用要求。通過(guò)SCI公司無(wú)縫鋁內(nèi)襯碳纖維復(fù)合材料氣瓶調(diào)研情況，討論中國(guó)航空用金屬內(nèi)襯碳纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶纖維應(yīng)力斷裂系數(shù)的確定。SCI為本國(guó)航空系統(tǒng)研制了大量復(fù)合氣瓶，1993年之前為本國(guó)軍用飛機(jī)研制的復(fù)合材料氣瓶安全系數(shù)如表4所示。

表4 SCI研制軍機(jī)用復(fù)合氣瓶安全系數(shù)

而現(xiàn)階段SCI為美國(guó)航空系統(tǒng)研制復(fù)合氣瓶包括:Boeing 777噴氣飛機(jī)的逃逸系統(tǒng)和飛行員供氧用復(fù)合材料氣瓶，F(xiàn)22噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)緊急能源供應(yīng)系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)起落架用復(fù)合氣瓶，B2轟炸機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)用復(fù)合氣瓶。其規(guī)定研制航空用碳纖維復(fù)合材料氣瓶安全系數(shù)最小值為3.4，但是實(shí)際研制使用的氣瓶安全系數(shù)的典型范圍為3.6～3.7之間。中國(guó)在復(fù)合材料氣瓶可靠性和應(yīng)力斷裂壽命研究方面與國(guó)外還存在一定的差距，中國(guó)軍機(jī)碳纖維復(fù)合氣瓶纖維應(yīng)力斷裂系數(shù)應(yīng)不小于4為宜。

與玻璃纖維和芳綸纖維氣瓶相比，碳纖維氣瓶具有高可靠、長(zhǎng)壽命、結(jié)構(gòu)效率高等特點(diǎn)，纏繞工藝技術(shù)發(fā)展到今天，通過(guò)混雜纏繞及其他技術(shù)途徑已經(jīng)使碳纖維氣瓶抗槍擊沖擊性能得到大大增強(qiáng)，因此，以后碳纖維氣瓶在航空氣瓶的應(yīng)用將大大提高。碳纖維氣瓶使用壽命應(yīng)大于15年，所設(shè)計(jì)復(fù)合氣瓶使用壽命也應(yīng)參考目前軍用飛機(jī)的大修周期要求，以避免給用戶(hù)造成使用或維修過(guò)程的不便。

3.3 民用復(fù)合材料氣瓶標(biāo)準(zhǔn)分析

針對(duì)不同用途的民用復(fù)合材料氣瓶應(yīng)制定相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，目前各制造企業(yè)大都依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行氣瓶的研制生產(chǎn)，而企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)大都依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)制訂，國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料氣瓶技術(shù)條件、制造技術(shù)和使用工況等方面存在一定差異，目前狀況不利于民用復(fù)合材料氣瓶的研制需求和質(zhì)量管理，應(yīng)在實(shí)際研制技術(shù)和廣泛征求生產(chǎn)單位研制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著復(fù)合材料氣瓶的逐漸推廣，復(fù)合材料氣瓶將有十分廣闊的前景，氣瓶生產(chǎn)企業(yè)不斷壯大，其應(yīng)用數(shù)量在眾多領(lǐng)域也在迅速增長(zhǎng)。復(fù)合材料氣瓶作為危險(xiǎn)性關(guān)鍵部件應(yīng)用于不同的主機(jī)系統(tǒng)中，氣瓶質(zhì)量控制尤為重要，必須保證氣瓶服役過(guò)程中的可靠性和安全性，規(guī)范氣瓶設(shè)計(jì)、制造工藝、過(guò)程控制、檢驗(yàn)試驗(yàn)、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等方面，統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)合材料氣瓶標(biāo)準(zhǔn)是規(guī)范其產(chǎn)品性能、檢測(cè)、生產(chǎn)和推廣應(yīng)用的重要依據(jù)，也是復(fù)合氣瓶研制技術(shù)成熟的表現(xiàn)。由于國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料氣瓶發(fā)展的種種差異，單方面按照或參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)不利于氣瓶研制技術(shù)的發(fā)展，出臺(tái)相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和軍用標(biāo)準(zhǔn)是緩解燃眉之急的有效手段。

(完)

［1］張?zhí)炱?空間應(yīng)用復(fù)合材料壓力容器研制技術(shù)［J］.上海航天，2002，18(1):54 －62.

［2］George Khwand.Design and Qualification of a Single Tank for Dual Applications－Helium Pressurant or Xenon Propellant［R］.AIAA，2000 －3890:1 －11.

［3］Kirk Snoddon.Design，Qualification，and Thermal Testing of a Specialized Composite Overwrap Pressure Vessel(COPV)［R］.AIAA，2007－5558:1－10.

［4］David M.High Pressure Composite Overwrapped Pressure Vessel(COPV)Development Tests at Cryogenic Temperatures［R］.AIAA，2008 －1912:1 －10.

［5］Henry W Babel.Delta IV COPV Risk Mitigation^Composite Overwrapped Pressure Vessels［R］.AIAA，1999－2832:1－10.

［6］Rex C Haddock，F(xiàn)red J Darms.Space System Applications of Advanced Composite Fiber Metal Pressure Vessels［R］.AIAA，1990 －2227:1 －8.

［7］于斌，靳慶臣，何俊.高壓球形氣瓶焊縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與焊接工藝［J］.宇航材料工藝，2010，39(4):30－32.

［8］肖文剛，何志華，王浩.航空用球形復(fù)合材料壓力容器的研制［A］.玻璃鋼學(xué)會(huì)第十六屆全國(guó)玻璃鋼/復(fù)合材料學(xué)術(shù)年會(huì)論文集［C］.2006:251－253.

［9］Aleck Papanicolopoulos.Advanced Composite Fiber Metal Pressure Vessels for Aircraft Applications［R］.AIAA，93 －2246.

［10］周海成，阮海東.纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶的發(fā)展及其標(biāo)準(zhǔn)情況［J］.壓力容器，2004，21(9):32 －36.

［11］池秀芬，蔡平安.空間站用復(fù)合材料壓力容器設(shè)計(jì)分析［J］.真空與低溫，2007，13(3):128－133.

［12］王榮國(guó)，矯維成，劉文博，等.輕量化復(fù)合材料壓力容器研究進(jìn)展［J］.航空制造技術(shù)，2009，49(15):86－89.

［13］晏飛，趙和明.纖維纏繞金屬內(nèi)襯壓力容器的設(shè)計(jì)和分析技術(shù)［J］.上海航天，2004，20(4):54 －59.

［14］王小永.航天系統(tǒng)用纖維纏繞金屬內(nèi)襯壓力容器的壽命分析技術(shù)［J］.玻璃鋼/復(fù)合材料，2007，23(5):47－52.

［15］Ronald B Veys，Alvin R Cederberg，Jack D Schimenti.Design and Analysis Techniques for Composite Pressurant Tankage with Plastically Operating Aluminum Liners［R］.AIAA，1990 －2345:1 －7.

［16］Walter H Tam.Design and Manufacture of the ETSⅧ Xenon Tank［R］.AIAA，2000－3677:1－15.

［17］David S，Dawicke.Fracture Test Methods for Plastically Responding COPV Liners［R］.AIAA，2009 －2516:1－9.

［18］趙稼祥.先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展與展望［J］.材料工程，2000，55(10):40 －44.

［19］謝霞，邱冠雄，姜亞明.纖維纏繞技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀［J］.天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，23(6):19 －22.

［20］MIL－STD－1522A，Standard General Requirements for Safe Design and Operation of Space Pressurized Missiles and Space Systems［S］.1984.

［21］ANSI/AIAA S－080，Space Systems－ metallic Pressure Vessels，Pressurized Structures，and Pressure Components［S］.1998.

［22］ANSI/AIAA S－081—2000，Space Systems－ Composite Overwrapped Pressure Vessels(COPVs)［S］.

［23］James B Chang.Development of COPV － Related Standards［R］.AIAA，2007 －2146:1 －17.

［24］ANSI/AIAA S － 081A—2006，Space Systems－Composite Overwrapped Pressure Vessels(COPVs)［S］.

［25］ISO －14623，Space Systems－ pressure Vessels and Pressurized Structure——Design and Operation［S］.2003.

［26］AIAA S － 110—2005，Space Systems Structures，Structural Components，and Structural Assemblies［S］.

［27］ISO 11119 －1，Gas Cylinders of Composite Construction－Specification and Test Methods－Part 1:Hoop Wrapped Composite Gas Cylinders［S］.2002.

［28］ISO 11119 －2，Gas Cylinders of Composite Construction－Specification and Test Methods－Part 2:Fully Wrapped Fibre Reinforced Composite Gas Cylinders with Load － sharing Metal Liners［S］.2002.

［29］ISO 11119 －3，Gas Cylinders of Composite Construction－Specification and Test Methods－Part 3:Fully Wrapped Fibre Reinforced Compositegas Cylinders with Non－load－sharing Metallic or Non－metallic Liners［S］.2002.

［30］ANSI/AGA NGV2，Basic Requirements for Compressed Natural Gas Vehicle(NGV)Fuel Continers［S］.2000.

［31］ISO 11439，Gas Cylinders－ High Pressure Cylinders for the On－board Storage of Natural Gas as a Fuel for Automotive Vehicles［S］.2000.

［32］AS 4838，Gas Cylinders－ High Pressure Cylinders for the On－board Storage of Natural Gas as a Fuel for Automotive Vechicles［S］.2002.

［33］凱克咨詢(xún).壓縮自然氣氣瓶的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及其安全可靠性［EB/OL］.www.chinabake.com.

［34］PrEN 12245，Transportable Gas Cylinders － Fully Wrapped Composite Cylindes［S］.2002.

［35］DOT－CFFC，Basic Requirements for Fully Wrapped Carbon－fiber Reinforced Aluminum Lined Cylinders［S］.2000.

［36］ASME BPVC－X，F(xiàn)irer－reinforced Plastic Vessels［S］.2001.

［37］Yenyih Ni，James B Chang.COPV Standard Requirements Implementation Issues［R］.AIAA，2010 －2944:1－15.

［38］邊文鳳，孫芳.天然氣汽車(chē)復(fù)合材料氣瓶的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.壓力容器，2004，21(1):24 －27.

［39］趙海濤，張博明，武湛君，等.纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器健康監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展［J］.壓力容器，2007，24(3):48－53.

［40］夏立榮.車(chē)用CNG全復(fù)合材料氣瓶的失效模式分析及預(yù)防［J］.壓力容器，2009，26(12):51 －53.

［41］雷閩，李文春，梁勇軍.車(chē)用壓縮天然氣全復(fù)合材料氣瓶缺陷分析［J］.壓力容器，2010，27(3):56－61.

［42］張?zhí)炱?，劉志棟，楊福?一種衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)復(fù)合材料氦氣瓶設(shè)計(jì)及驗(yàn)證［J］.上海航天，2006，22(3):41－48.