眾所周知，美國國家航空航天局（NASA）已經(jīng)啟動了重返月球的阿爾忒彌斯（Artemis）計劃，根據(jù)規(guī)劃，“阿爾忒彌斯”載人探月計劃分三個階段進(jìn)行：第一階段將會把“獵戶座”飛船送入環(huán)繞月球飛行的軌道主要任務(wù)是技術(shù)測試，第二階段也就是“阿爾忒彌斯”2號計劃將于2024年進(jìn)行，雖然為載人任務(wù)，但它不會在月球表面著陸，而第三階段的“阿爾忒彌斯”3號計劃在2025年進(jìn)行，將會把宇航員送往月球的表面。

而隨著阿爾忒彌斯計劃的每次發(fā)射任務(wù)，都讓人類離重返月球更近了一步。總部位于美國得克薩斯州休斯頓的Intuitive Machines公司是NASA商業(yè)月球有效載荷交付服務(wù)（Commercial Lunar Payload Delivery Services，CLPS）計劃的供應(yīng)商之一，正在準(zhǔn)備其Nova-C月球著陸器，并于2023年11月中旬在SpaceX獵鷹9號運(yùn)載火箭上進(jìn)行定向發(fā)射。

此次的IM-1任務(wù)有望在月球南極附近著陸一個未折疊的月球著陸器，并可以展示導(dǎo)航、著陸和通信技術(shù)。該任務(wù)還將研究火箭羽流如何與月球表面和著陸場的太空天氣環(huán)境相互作用，而該著陸點正在為將宇航員送上月球的阿爾忒彌斯III號任務(wù)進(jìn)行評估。

據(jù)悉，IM-1任務(wù)創(chuàng)造了多項“第一”。Intuitive Machines公司的飛船不僅將是自1972年阿波羅17號任務(wù)以來第一艘登陸月球的美國航天器，它還將是第一艘商業(yè)月球著陸器。Nova-C也將成為第一艘在太空環(huán)境中使用液氧（LO2）/液態(tài)甲烷（LCH4）推進(jìn)系統(tǒng)的飛行器。

源于諸多原因，LO2/LCH4推進(jìn)系統(tǒng)引起了人們的興趣。它被認(rèn)為是一種潛在的“更環(huán)?！钡膫鹘y(tǒng)推進(jìn)方案的替代者。基于甲烷的推進(jìn)系統(tǒng)具有較高的比沖（ISP），即每秒釋放的力，但其密度只被允許儲存在較小的儲罐中。此外，外太陽系中甲烷含量豐富，為火星及其他地區(qū)的任務(wù)提供了燃料。然而，使用這種組合需要能夠承受低溫的儲罐——LO2和LCH4的沸點分別為-183oC和-162oC。兩種燃料所需的極端溫度給這種推進(jìn)系統(tǒng)帶來了工程挑戰(zhàn)。

因此，合理選擇儲罐類型成為Intuitive Machines公司一個重要的考慮因素。由金屬制成的I型壓力容器增加了有效載荷的額外重量，而由復(fù)合材料外覆金屬的II型和III型儲罐（composite overwrapped pressure vessel，COPV）在經(jīng)歷極端溫度循環(huán)時會發(fā)生分層和脆化。因此，Intuitive Machines公司開始探索使用V型壓力容器執(zhí)行任務(wù)的可能性。

目前，部分V型壓力容器已被用于工業(yè)儲氣罐，以及天然氣和氫燃料電池汽車，它由碳纖維復(fù)合材料制成并且是無襯里結(jié)構(gòu)。它的輕質(zhì)全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)使其適用于重量直接影響燃油效率和車輛性能的應(yīng)用。復(fù)合材料也經(jīng)常被選擇用于需要高強(qiáng)度重量比和耐腐蝕性的應(yīng)用。此外，V型容器設(shè)計用于處理極高的壓力，通常超過700巴（10000psi）或更高。這使它們能夠在一個相對小而輕的容器中儲存大量的壓縮氣體。

為了將復(fù)合材料罐整合到Nova-C月球著陸器，Intuitive Machines求助于美國加利福尼亞州的Scorpius Space Launch 公司，該公司是一家獨特的V型壓力容器設(shè)計制造商，采用適用于低溫用途的一體式結(jié)構(gòu)。SSLC的Pressurmaxx儲罐已在低至-196°C的低溫和高達(dá)8000 psi的壓力下成功進(jìn)行了測試。

作為開發(fā)和認(rèn)證過程的一部分，Intuitive Machines對SSLC的Pressurmaxx復(fù)合無襯里儲罐進(jìn)行了150多項不同的測試，對儲罐進(jìn)行了溫度循環(huán)、振動和沖擊測試。

相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，SSLC制造的儲罐重量明顯低于傳統(tǒng)方案，這可以使Intuitive Machines能夠向月球表面輸送更多的質(zhì)量，并將為人類可持續(xù)重返月球鋪平道路。

現(xiàn)如今，碳纖維已經(jīng)成為輕量化的代名詞，這確實是太空飛行的一個重要考慮因素，但還有許多其他優(yōu)點使這種材料成為太空應(yīng)用的好選擇。

SSLC總裁兼首席執(zhí)行官M(fèi)arkus Rufer指出：不少人認(rèn)為使用碳纖維的唯一原因是因為它更輕，但實際上這只是其中的一個有點，比如碳纖維復(fù)合材料儲罐不會腐蝕，它幾乎對太空中所有化學(xué)物質(zhì)都具有完全的抵抗力。

此外，由于材料在航天飛行中承受的極端溫度范圍很廣，以及使用低溫推進(jìn)劑，因此所使用的任何材料都必須能夠承受溫度的劇烈變化。這是SSLC壓力容器一體式設(shè)計的另一個優(yōu)點。

儲罐采用SSLC專有的藍(lán)寶石77低溫樹脂系統(tǒng)和Hexcel (Stamford, Conn, U.S.)碳纖維制成，不含金屬、緊固件、焊縫或額外的密封劑。雖然樹脂配方是專有的，但Rufer說，原料和碳纖維材料是復(fù)合材料工業(yè)中常用的。

SSLC的儲罐設(shè)計成統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，不需要任何額外的支撐元件。由于復(fù)合材料相對于金屬結(jié)構(gòu)具有非常低的熱膨脹系數(shù)（CTE），因此最大限度地減少了圍繞這些問題進(jìn)行設(shè)計的需要。Pressurmaxx容器可保持?jǐn)?shù)千磅/平方英寸的壓力，與航空航天應(yīng)用中使用的所有常見流體和氣體兼容，溫度范圍為-196°C至77°C。該儲罐采用SSLC專有的Sapphire 77低溫樹脂系統(tǒng)和美國Hexcel碳纖維建造，不含金屬、緊固件、焊縫或其他密封劑。

Intuitive Machine公司選擇LO2/LCH4作為Nova-C著陸器的推進(jìn)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個考慮因素是：越來越多的環(huán)保意識延伸到太空探索領(lǐng)域。一些傳統(tǒng)的用于推進(jìn)系統(tǒng)的物質(zhì)，如肼的毒性很大。相比之下，LCH4燃燒產(chǎn)生的廢氣主要由水組成，二氧化碳和氮氧化物含量最低。這使它成為目前燃燒最清潔的火箭推進(jìn)劑之一，僅次于氫氣。

Nova-C配備了兩個SSLC Pressurmaxx儲罐，一個包含LCH4，另一個包含LO2。雖然該系統(tǒng)并非完全無排放，但與傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)相比，它是一個非常清潔的系統(tǒng)。

當(dāng)SSLC在21世紀(jì)初開始開發(fā)其儲罐時，它開始著手解決V型壓力容器可能出現(xiàn)的眾多問題，比如氣體泄漏，它們可以保持壓力，但一旦開始進(jìn)行溫度循環(huán)，就會在相對較低的壓力下開始出現(xiàn)泄漏，可能是50-70psi。在使用液氮進(jìn)行測試時，則無法保持壓力，出現(xiàn)了微裂紋問題。

當(dāng)時，許多儲罐都是由兩個用腹帶連接的兩半制成的，很難確保由此產(chǎn)生的接頭完全無泄漏。此外，儲罐極凸臺開口上的法蘭通常是金屬的，這會導(dǎo)致具有不同CTE的相鄰復(fù)合材料出現(xiàn)問題，因為儲罐呈現(xiàn)出與法蘭不同的速率收縮或膨脹的趨勢。

當(dāng)有兩種不同類型的材料想要在一個接頭中相互競爭時，這意味著它會失敗。因此，公司在早期就開始用碳纖維復(fù)合材料制造凸臺（boss），并也放棄了腹帶方法，并為該接頭設(shè)計了不同的技術(shù)。目前，SSLC已經(jīng)開發(fā)了自主研發(fā)的基于嵌縫的儲罐半體連接方法。

雖然選擇IM-1任務(wù)中的燃料箱主要是為了減輕重量和低溫性能，但SSLC希望這次任務(wù)將有助于為實現(xiàn)一種全新的航天器鋪平道路。SSLC對使用推進(jìn)劑罐作為運(yùn)載工具主要承載元件的火箭設(shè)計特別感興趣。

根據(jù)Rufer的介紹，該公司的儲罐配置將初級和次級支撐結(jié)構(gòu)結(jié)合為一個單一的推進(jìn)劑儲罐中，該儲罐比傳統(tǒng)儲罐更輕、更硬、更強(qiáng)。SSLC的全碳纖維復(fù)合材料儲罐包括極凸臺（包括凸臺螺紋）、外部結(jié)構(gòu)桁條和內(nèi)部防濺擋板等功能。因為這些儲罐是一體式結(jié)構(gòu)，它們可以有效地成為運(yùn)載火箭或航天器的主要結(jié)構(gòu)。

SSLC的姐妹公司Microcosm公司正在使用Pressurmaxx儲罐作為基礎(chǔ)，設(shè)計包括單個集成碳纖維結(jié)構(gòu)的整個航天器。在與SSLC的合作中，Microcosm開發(fā)了一種用于小型衛(wèi)星的組合式結(jié)構(gòu)/推進(jìn)劑儲罐，稱之為一體加壓復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（unibody pressurized composite structure，UPCS）。

航天器的結(jié)構(gòu)集成了推進(jìn)劑罐，不需要任何類型的額外支撐元件，但仍然可以輕松安裝各種有效載荷和總線子系統(tǒng)。根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)，該解決方案可將航天器整體質(zhì)量降低20-40%。

雖然傳統(tǒng)的航天器設(shè)計和推進(jìn)系統(tǒng)具有飛行傳統(tǒng)的優(yōu)勢，但Rufer認(rèn)為一種使推進(jìn)罐能夠作為航天器主體發(fā)揮雙重作用的方法是未來的發(fā)展方向，他希望IM-1任務(wù)是朝著充分發(fā)揮V型出掛潛力邁出的一步。