航天用气瓶、贮箱产品分类及其生产工艺

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航天用气瓶、贮箱产品分类及其生产工艺

0引言

航天动力系统用压力容器主要用于液体、气体介质的贮存，并承载一定的压力，实现动力推

进、压力供给等功能，其主要包括贮箱和气瓶两大类产品。贮箱在航天器中主要用于液体介质

的贮存，根据其结构种类和工作原理可分为表面张力贮箱、膜片式贮箱、胶囊式贮箱、膜盒式

贮箱等。气瓶主要贮存气体介质，例如为航天推进系统中提供高压气体，按照其不同结构可分

为金属气瓶和复合气瓶两大类。本文主要介绍航天用气瓶、贮箱分类及制造技术。

1贮箱和气瓶产品分类及发展现状

压力容器已发展成为航天结构动力系统中的关键部件之一，无论从结构质量还是从所占空间比

来看，都占有极高比例，且其性能的优劣直接决定了航天器的使用寿命及可靠性。

1.1 贮箱产品

贮箱主要是为航天器的液体推进系统贮存和供应满足使用要求的推进剂，应与液体介质有良好

的相容性，能够长期贮存。在系统工作时，贮箱提供的推进剂不仅能夹带增压气体，且能够满

足推进系统的流量需求。根据使用环境的不同，贮箱的结构类型也是多种多样，且有着各自的

优缺点，图 1为不同类型的贮箱产品及构件。

膜片贮箱是一种适用于空间工作的推进剂管理装置，主要由贮箱壳体和内置膜片构成，该贮箱

具有寿命长、相容性好、排出效率高等优点。膜片与贮箱壳体采用绝对密封连接，工作时增压

气体挤压膜片，将推进剂挤入输送管路，实现推进剂的供给。其中，膜片是膜片式贮箱的关键

构件，最初的膜片以橡胶等高分子材料为主，但其长期储存问题难以解决，因此，当前膜片主

要选用金属材料，应用较为广泛的是纯铝和纯钛膜片。在贮箱工作过程中，膜片经历从上半球

翻转到下半球的弹塑性大变形，因此膜片能否按照预定要求有规律的翻转，是决定贮箱性能的

关键因素。目前，国内外研究人员对膜片的几何形状、压力与厚度等参数对变形的影响开展了

研究，并利用有限元模拟、物理试验等多种手段对膜片性能进行了综合分析，因此，金属膜片

贮箱设计方法已经较为成熟，并得到了广泛的应用[1-4].

金属膜盒贮箱是一种可多次重复使用的贮箱，能够满足介质的重复加注、排放。该贮箱一般采

用柱形结构，内部介质的加注和排放是依靠金属膜盒的伸缩而实现。在介质的充、放过程中，

金属膜盒需要在壳体内部进行大范围的滑动，滑动过程中依靠贮箱内部结构的设计保证金属膜

盒的平稳运行，在震动、变加速度等多种工况条件下，膜盒不能产生偏斜、卡死等现象，这就

给贮箱的设计和加工都提出了更高要求；此外，与其他类型贮箱相比，由于金属膜盒贮箱内部

结构相对复杂，所以质量相对较大。另外，由于贮箱壳体及膜盒均使用金属材料制造，因此，

两者相容性好，介质加注可控性高，适用于不同种类介质的贮存，具有广泛通用性，而目前，

膜盒式贮箱在国外航天器上的应用较多，国内航天领域正在逐步推广。

表面张力贮箱是依靠微重力环境下液体的表面张力原理对推进剂进行管理的一种贮箱，其主要

作用是在工作阶段，在规定的流量和加速条件下，为发动机或推力器提供无夹杂的推进剂。该

贮箱的核心部件是其内部的推进剂管理装置（PMD），通常情况下，PMD 具有实现使气、液

分离并随时向发动机输送不夹气的推进剂，保持贮箱内推进剂在各种加速度环境下、稳定输

出，控制推进剂质心位置不发生过大偏移，泄压放气过程中不带液排气等功能。由于表面张力

贮箱只能在微重力环境下工作，因此，其具有独特优势：贮箱的可靠性高、加工难度小、对推

进剂管理水平和环境适应能力强、携带推进剂和有效载荷质量比高、可重复利用、不易受污染

等。目前，在空间微重力环境下工作的航天飞行器应用方面，如空间站、通信卫星、航天飞机

等，具有囊式贮箱、膜片贮箱所不可替代的优势[5-7].

1.2 气瓶产品

航天用气瓶产品主要应用于航天器的推进系统、流体管理系统、试验系统等方面，其功能是为

不同系统贮存和提供高压气体，根据气瓶的应用与结构可分为两大类：金属气瓶和复合气瓶，

其中复合气瓶还可分为：金属内衬复合气瓶和塑料内衬复合气瓶，图 2为不同类型的气瓶产

品。

金属气瓶早期应用最为广泛，以钢瓶产品为主，后因质量原因，其选材由钢类材料逐步发展为

铝合金材料；目前，由于钛合金具有比强度、比刚度高，耐蚀性好，成形、焊接工艺性优良等

优点，钛合金气瓶的研制成为国内外研究重点。金属气瓶的结构形式从环形气瓶、柱形气瓶到

球形气瓶一应俱全，由于其依靠金属壳体承受气体压力，设计、制造工艺成熟，疲劳寿命长，

可靠性高，工作压力从几兆帕到数十兆帕，因此，在航天领域得到了广泛应用。

复合气瓶目前主要以金属内衬复合气瓶为主。该气瓶采用双层结构设计，以薄壁金属壳体作为

支撑的内衬层和外表面缠绕复合材料的复合层组成。金属内衬层主要作用：（1）防止密封容

器中贮存的高压气体及燃料泄漏；（2）作为缠绕成型时的支撑芯模；（3）内衬端接头作为容

器对外的接口与连接界面。

外表面复合层以树脂为基体材料，纤维作为增强材料，经缠绕固化形成复合材料层壳体，主要

用于承载容器中的高压载荷。目前，由于铝合金具有良好的成形性能，一定的强度，密度小，

在复合气瓶内衬加工上应用较多；而对于疲劳性能要求较高的气瓶，铝合金内衬往往不能满足

使用要求，因此，选用强度高，较铝合金具有更高疲劳寿命的钛合金做为金属内衬。此外，对

于一些有特殊需求的气瓶，如高压氧气瓶，其内衬材料仍选用不锈钢制作。复合气瓶外表面缠

绕纤维的选用，由最开始的玻璃纤维到芳纶纤维，而到目前普遍采用的碳纤维，其性能不断提

高，承载能力不断加大，为复合气瓶的安全使用提供了可靠保障。与全金属气瓶相比，复合气

瓶质量轻、刚度好、容器特性系数高、可靠性高、抗疲劳性能好、负载工作寿命长、"爆破先

于泄露（LBB）"安全失效模式、可设计性强等诸多优点，在航天领域的应用越来越广[8-11].

2贮箱气瓶制造技术

航天用贮箱和气瓶均以薄壁回转结构为主，由于需要其在高压工作环境下，能够精确管理液体

和气体贮存介质，因此，对产品的性能、可靠性、精度、批次稳定性等提出了较高要求。为了

满足航天使用过程中所提出的更高要求，越来越多的新材料、先进工艺技术在贮箱和气瓶的制

造中得到了应用。

2.1 高性能材料

为了满足航天产品减重的迫切需求，贮箱、气瓶类压力容器产品的轻量化已成为发展趋势。传

统以不锈钢材料生产的贮箱、气瓶已经很少应用在航天领域，已被铝合金、钛合金等一些轻质

金属材料逐步取代。

钛的密度为 4.5g/cm3,是钢密度的 56%,其强度介于 500~1400MPa,比强度高，而且具有良好的高

低温适应性。其中，TC4 钛合金应用较为广泛，其长时间使用温度可达350℃，国外采用快速

凝固/粉末冶金技术研制的某些高温钛合金，其使用温度可达700℃以上，目前，我国研制的

Ti55 高温钛合金使用温度可达550℃，而在更高温度下使用的钛合金也在实验室试制成功[12].

在低温环境下，TA7 钛合金具有更高的强度、更高的塑性和韧性，已经在压力容器产品上得到

应用，该材料室温强度一般在700MPa 以上，但是在液氢温度下（-253℃）却能达到1.2GPa 以

上。

铝合金在贮箱、气瓶产品中应用的种类较多，以 5A06 和2A12 为代表的 5系和 2系铝合金应用

最为广泛。近年来，以 2195 为代表的铝锂合金材料和以 5B70 为代表的铝钪合金材料在国内已

经实现了工业化生产。在铝中加入锂所形成的合金，可以有效降低合金的密度，增加刚度，同

时仍然保持较高的强度、较好的抗腐蚀性和抗疲劳性以及适宜的延展性，该合金在国外航天领

域主要应用于一些航天飞机的外贮箱以及运载器的大型贮箱结构上。铝钪合金是一种集高强、

高韧、低密、耐热、耐蚀、可焊等优异性能于一体的铝合金结构材料，其中 5B70 铝合金强度

达到420MPa 以上，屈服强度在 300MPa 以上，较 5A06 铝合金对应的 315MPa 和147MPa 有大

幅提升[13].采用 5B70 铝合金替代 5A06 铝合金制造贮箱壳体可减重 30%以上，具有极为广阔的

应用前景，目前国内已经在部分型号产品上应用该材料。

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摘要：

航天用气瓶、贮箱产品分类及其生产工艺0引言航天动力系统用压力容器主要用于液体、气体介质的贮存，并承载一定的压力，实现动力推进、压力供给等功能，其主要包括贮箱和气瓶两大类产品。贮箱在航天器中主要用于液体介质的贮存，根据其结构种类和工作原理可分为表面张力贮箱、膜片式贮箱、胶囊式贮箱、膜盒式贮箱等。气瓶主要贮存气体介质，例如为航天推进系统中提供高压气体，按照其不同结构可分为金属气瓶和复合气瓶两大类。本文主要介绍航天用气瓶、贮箱分类及制造技术。1贮箱和气瓶产品分类及发展现状压力容器已发展成为航天结构动力系统中的关键部件之一，无论从结构质量还是从所占空间比来看，都占有极高比例，且其性能的优劣直接决定了航...

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