球形高压复合材料缠绕气瓶（以下简称复合材料缠绕气瓶）具有质量小的优势和爆破前先泄漏的安全失效模式，正在空间系统中取代传统的纯金属气瓶。复合材料缠绕气瓶采用钛内衬、外覆盖碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕层结构。复合材料的显著优点是比强度高、比模量大、抗疲劳性能好。复合材料具有的这些优点正好满足航天系统对减轻结构重量的特殊要求，这使它成为空间系统上应用越来越多的重要材料。但是复合材料具有强烈的各向异性和非均质性的特点，因此它的力学性能比较复杂。本文阐述一种用于发动机系统贮存高压气体，为系统工作提供初始能源和介质的复合材料缠绕气瓶的缠绕层结构设计。由于气瓶缠绕层加工和承载的特殊性，使气瓶缠绕层的结构设计分析技术成为研制气瓶实现高性能的关键之一。

　　复合材料缠绕气瓶主要技术指标：气瓶形状为球形：设计压力40MPa：验证压力50MPa：爆破压力≥80MPa：安全系数≥2：容积15L：密封性≤1×10^-7Pa·m^3/s。复合材料缠绕气瓶必须满足技术性能。缠绕层主要承担压力载荷，选择合理的材料尤为重要。缠绕层增强纤维主要有碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维三类。比强度和比模量是衡量纤维性能的一个重要指标。提高比强度和比模量可以在保证气瓶整体强度的情况下，减少缠绕层的厚度，从而减少质量。综合比较三类纤维的弹性模量、热稳定性的指标，选用碳纤维作为缠绕层材料。从碳纤维供应方面以及工艺应用技术方面考虑，缠绕层材料选用碳纤维T700。

　　缠绕层是承担压力载荷的主体，复合材料缠绕气瓶的安全失效模式要求缠绕层能承受内衬开裂后产生的载荷转移。为了提高性重比，缠绕层尽量设计为球形。材料由高性能碳纤维T700和环氧树脂湿法缠绕固化而成，缠绕方式为平面缠绕。缠绕气瓶的理想结构是在内压作用下气瓶各处具有等强度。因此缠绕气瓶的缠绕结构方案为：首先在极孔处缠绕一定循环的纤维来满足极孔开口处附近的强度要求。由于纬度越低，纬度圈的半径越大，过该纬度圈的纤维密度越小，所以必须在较低开口处的纬度处缠绕一定循环的纤维。这样又形成了一个比开口大的包络圈，满足了该纬度附近的强度要求。然后再在纬度更低的地方缠绕，直到赤道附近，然后在赤道左右大约30mm的宽度范围内进行环向缠绕，加强赤道处强度，从而满足球形气瓶各纬度处的强度要求。

　　爆破压力是复合材料缠绕气瓶最基本和重要的设计参数，由于树脂的拉伸强度极限及弹性模量都比纤维小得多，而且壳体将要爆破时，树脂几乎全部开裂，已不起加强作用，因此进行计算时，忽略树脂的作用，将壳体看作是完全由纤维缠绕而成。这一理论基于网格理论。缠绕层强度设计中，缠绕纤维的厚度取决于爆破压力，主要参数有纤维额定强度发挥系数，平面缠绕时取0.8，爆破压力85MPa,纤维强度4900MPa,纤维体积含量70%，环氧树脂体积含量30%。在进行气瓶受力分析时，认为气瓶任何部位，纤维内力必须与内压产生的薄膜应力构成静力平衡，即整个球体形成一个静平衡结构。由网格理论纤维厚度与气瓶压力间的关系，得到气瓶赤道处缠绕层的设计厚度为7.4mm。

　　根据气瓶受力分析及其网格理论的计算方法，编制计算程序，为了满足爆破压力不小于80MPa的设计条件，缠绕层厚度按爆破压力85MPa进行计算，碳纤维T700理论带距取5mm,计算得包络总圈数为25，重量约4.38kg,气瓶赤道处缠绕层的设计厚度为7.4mm,缠绕层结构参数：开孔半径15~153mm,缠绕角5.5~80°，缠绕圈数195~34。

　　其中强度试验要求：液压50MPa，保压10min，气瓶不渗漏。氦质谱检漏要求：气压40MPa，漏率不大于1×10^-7Pa·m^3/s。运输试验要求：等加速度1.5g：方向：Y、Z向；每方向循环6h。随机振动要求：grms=10.58，方向：X、Y、Z，时间：每方向5min。低频冲击要求：半正弦波冲击25~30g：持续时间8~12ms;方向：X、Y、Z方向：冲击次数：每方向5次；温度循环要求：-4080℃循环18次，高、低温端单向过程控制在120±10min，高、低温端各保温30min。湿热试验要求：30℃→60℃→30℃，湿度95±5%，24小时/周期，10个周期。疲劳试验要求：0MPa~40MPa~0MPa为一个压力循环，100次。爆破试验：80MPa压力下保压3min,升压至爆破。

　　从复合材料缠绕气瓶的缠绕层结构研究中可知，首先，复合材料的高比强度和高比模量特性，使复合材料缠绕气瓶较纯金属气瓶有更高的性重比，按相同参数设计的气瓶，复合材料气瓶较纯钛金属气瓶至少轻一倍。其次，复合材料的优异的抗疲劳性能（大多数金属材料的疲劳极限是其抗拉强度的40%~50%，而复合材料可达70%~80%），也符合航天飞行器的重复使用的安全可靠性要求。同时，复合材料的各向异性特点，可以在航天产品的结构设计中采用合理结构就能够明显地减轻重量和更好地发挥结构的效能。因此，碳纤维复合材料在航天飞行器的应用中有很广泛的应用前景。

　　随着科学技术的进步，人类太空活动日益频繁，航天飞行器需要在恶劣的空间环境中飞行，因此航天飞行器对于材料的要求选择比较苛刻，不仅要求耐腐蚀、耐高温、耐辐射、阻燃、耐老化，而且要求材料密度小、刚性好、强度高、尺寸稳定，碳纤维复合材料具有的特性将能够使上述要求成为可能。

　　阅读延伸：《复合材料压力容器相比金属的优势》