복합재 오버랩 압력 용기

Composite overwrapped pressure vessel
사운딩 로켓 내부의 COPV

복합 오버랩 압력 용기(COPV)는 구조 섬유 복합재로 감싼 얇은 비구조 라이너로 구성된 용기로 유체를 압력으로 유지하도록 설계되었습니다. 라이너는 유체와 복합재 사이에 장벽을 제공하여 누출(구조적 고장을 일으키지 않는 매트릭스 미세 균열을 통해 발생할 수 있음) 및 구조물의 화학적 열화를 방지합니다. 일반적으로 충격 손상에 대한 보호 차폐를 위해 보호 쉘이 적용됩니다.[1][2] 가장 일반적으로 사용되는 복합재는 탄소 및 케블라 섬유를 사용하는 [3]섬유 강화 폴리머(FRP)입니다. 유사한 크기의 금속 압력 용기와 비교했을 때 COPV의 가장 큰 장점은 무게가 적다는 것입니다. 그러나 COPV는 제조 및 인증 비용이 증가합니다.

본질적으로 유리섬유 복합재로 덮인 압력 용기인 Altair 로켓 스테이지의 케이싱

개요

복합 오버랩 압력 용기(COPV)는 일반적으로 금속 라이너, 복합 오버랩 및 하나 이상의 보스로 구성된 압력을 포함하는 용기입니다.[4] 그것들은 높은 강도와 낮은 무게로 인해 우주 비행에 사용됩니다.[5]

작동 중 COPV는 가압되지 않은 상태에서 확장됩니다.[6]

제조업

COPV는 일반적으로 수지가 함침된 고강도 섬유 테이프를 원통형 또는 구형의 금속 라이너에 직접 감아서 제조됩니다. 로봇은 섬유가 곧게 눕고 교차하거나 꼬이지 않도록 테이프를 배치하여 섬유에 응력이 집중되도록 하고 또한 테이프 사이에 간격이나 공극이 최소화되도록 합니다. 그런 다음 복합 수지를 경화시키기 위해 전체 용기를 온도 조절된 오븐에서 가열합니다.

제조하는 동안 COPV는 오토프레티지(autofretage)라고 불리는 과정을 거칩니다. 장치가 가압되고 라이너가 팽창하여 (영구적으로) 변형되어 영구적인 부피 증가를 초래합니다. 그런 다음 압력이 완화되고 라이너가 소량 수축하여 압축 항복점 근처에서 오버랩에 의해 압축 하중을 받게 됩니다. 이 잔류 변형은 사이클 수명을 향상시킵니다. 혈관을 자동 재장전하는 또 다른 이유는 제품 라인의 압력 용기 전체에 걸친 부피 증가가 예상 범위 내에 있는지 확인하는 것입니다. 부피가 평소보다 크게 증가하면 오버랩 공극, 오버랩 층을 통한 높은 응력 구배 또는 기타 손상과 같은 제조 결함을 나타낼 수 있습니다.[5][7]

테스트

COPV에 대해 다양한 테스트와 검사가 수행되는데, 여기에는 정수압 테스트, 응력 파괴 수명, 비파괴 평가 등이 포함됩니다.[8][9]

노화

노화로 인한 COPV 강도에 영향을 미치는 주요 성분은 사이클 피로, 오버랩의 수명, 응력 파열 수명 등 세 가지입니다.[4]

실패

COPV는 복잡한 고장 모드의 영향을 받을 수 있습니다. 2016년, 액체 산소 탱크 내부에 있는 COPV의 고장으로 인해 SpaceX Falcon 9 로켓이 패드에서 폭발했습니다.[10] 이 고장은 COPV의 알루미늄 라이너 사이에 얼어붙은 고체 산소가 축적되고 보이드 또는 버클에 복합 오버랩되어 발생했습니다. 갇힌 산소는 오버랩된 섬유를 깨거나 섬유가 부풀어 오를 때 섬유 사이에 마찰을 일으켜 순수한 산소에 있는 섬유에 불을 붙여서 COPV를 실패시킬 수 있습니다. 2015년 CRS-7에서 유사한 고장이 발생했는데, COPV가 폭발하면서 산소 탱크가 과압을 받아 비행 139초 만에 폭발했습니다.

참고 항목

참고문헌

  1. ^ "Protective shells for composite overwrapped pressure vessels". Archived from the original on 2021-10-01. Retrieved 2008-10-20.
  2. ^ Group, Techbriefs Media. "Making a Metal-Lined Composite-Overwrapped Pressure Vessel". www.techbriefs.com. Archived from the original on 2021-10-01. Retrieved 2021-10-01.
  3. ^ Lung, Bryan C. (March 1, 2005). "A structural health monitoring system for composite pressure vessels". Archived from the original on July 31, 2021. Retrieved October 1, 2021 – via harvest.usask.ca.
  4. ^ a b Russel, Rick. "Composite Overwrapped Pressure Vessels (COPV) Stress Rupture Test. Part 2" (PDF). NASA. Archived (PDF) from the original on February 26, 2017. Retrieved May 25, 2018.
  5. ^ a b Kezirian, Michael T. "Composite Overwrapped Pressure Vessels (COPV): Flight Rationale for the Space Shuttle Program" (PDF). AIAA. Archived (PDF) from the original on August 15, 2017. Retrieved May 24, 2018.
  6. ^ Tam, Walter H. "Design and Manufacture of a Composite Overwrapped Pressurant Tank Assembly" (PDF). AIAA. Archived from the original (PDF) on May 25, 2018. Retrieved May 24, 2018 – via Orbital ATK.
  7. ^ Pat B. McLaughlan; Scott C. Forth; Lorie R. Grimes-Ledesma (March 2011). "Composite Overwrapped Pressure Vessels, A Primer" (PDF). NASA. Archived from the original (PDF) on 2015-04-21.
  8. ^ Wayback Machine에서 보관된 선박 테스트 2008-09-05
  9. ^ "Stress-rupture lifetime testing". Archived from the original on 2010-05-27. Retrieved 2008-10-20.
  10. ^ "SpaceX announces COPV's role in September rocket explosion". 01/02/2017. Archived from the original on 2018-06-14. Retrieved 2018-11-30.