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ISO 28702:2021 航天系统 — 压力容器与加压结构 — 设计与验证
航天系统用压力容器和加压结构的设计、制造、试验与验证要求
范围与压力容器分类
ISO 28702:2021为航天系统中使用的压力容器和加压结构建立了全面要求，包括推进剂贮箱、增压球体、复合材料缠绕压力容器和金属内衬。标准识别三类容器：A类（金属容器）、B类（金属内衬复合材料缠绕）和C类（全复合材料或聚合物内衬复合材料缠绕）。每类具有特定的设计验证要求，反映不同的失效机制——金属的延性 rupture、复合材料的纤维断裂和基体开裂，以及COPV设计中的内衬坍塌。
COPV相比等效全金属压力容器可减轻30-50%的质量，使其成为重量敏感型航天应用的首选。然而，其复杂的失效模式需要超越传统金属容器设计的专门验证方法。
航天系统中的压力容器在极端条件下运行，这是地面规范无法完全覆盖的：低温（推进剂为20-90K）、真空暴露、辐射、微陨石撞击以及多任务阶段带来的高循环压力载荷。标准的设计理念围绕两个基本原则：首先，验证压力试验证明相对于最大预期工作压力具有裕度；其次，爆破压力提供相对于极限载荷的最终裕度。对于载人系统，还需进行先漏后破验证，以提供早期失效预警。
设计要求和安全系数
ISO 28702规定了最低设计安全系数，根据容器类别、应用关键性以及容器位于载人或无人系统而有所不同。对于金属容器（A类），无人应用的爆破压力极限安全系数为1.5，载人应用为2.0。对于COPV（B类和C类），最小爆破与最大预期工作压力比在1.5至2.5之间，取决于失效后果分类。疲劳寿命要求规定至少为预期运行压力循环次数的四倍，包括地面试验、飞行运行和2倍的循环寿命安全系数。
| 容器类别 | 材料类型 | 爆破系数（无人） | 爆破系数（载人） | 验证系数 | 疲劳寿命系数 |
|---|---|---|---|---|---|
| A类 | 金属（铝、钛、因康镍） | 1.5 | 2.0 | 1.2 | 4倍使用寿命 |
| B类 | COPV金属内衬 | 1.75 | 2.5 | 1.1 | 4倍使用寿命 |
| C类 | 全复合/聚合物内衬 | 2.0 | 2.5 | 1.05 | 4倍使用寿命 |
地球静止轨道卫星平台从金属贮箱向COPV推进剂贮箱的转变实现了每颗航天器干重减少25-35千克——这意味着要么增加有效载荷能力，要么按照商业运载火箭每千克质量超过50万美元的价格降低发射成本。
材料选择与环境兼容性
标准对与储存介质的材料兼容性设定了严格要求。对于含有氧化性推进剂的复合材料容器，树脂基体必须通过在最高使用温度下至少1000小时的浸泡试验证明化学稳定性，强度退化不超过15%。COPV中的金属内衬必须通过适当的试验方法评估应力腐蚀开裂敏感性。对于低温服务，材料必须在最低设计温度下保持断裂韧性，KIC或KQ值需通过在实际工作温度下测试验证，而非从环境温度数据外推。
氢脆是航天系统中高强度钢和钛压力容器的关键关切。ISO 28702要求，抗拉强度超过1200 MPa的材料如果在制造、试验或使用过程中暴露于任何产氢环境，必须按照ASTM F1624进行氢脆试验。
验证试验与在役监控
ISO 28702要求制定鉴定试验计划，至少包括五个具有生产代表性的容器，经受全部环境与压力载荷组合。飞行容器需进行验证压力试验，压力为最大预期工作压力的1.1至1.5倍（取决于类别），并通过永久变形测量检测屈服。泄漏试验使用氦质谱法，一般服务的最大可接受泄漏率为1×10⁻⁶ std·cm³/s，载人应用为1×10⁻⁸。标准还要求在COPV验证试验期间进行声发射监测，以检测纤维断裂和基体开裂。对于超过5年的长期任务，必须确定定期在役检查间隔，对于载人系统则要求连续泄漏监测。
在任何地面试验中，切勿在未设置防爆围护结构的情况下超过压力容器的额定爆破压力。600 bar下灾难性COPV爆破释放的能量相当于约2.5千克TNT——足以在50米半径内造成致命碎片危害。
常见问题
问：现有的ASME BPVC第八卷容器能否用于航天应用？
答：只能经过大量补充验证后方可使用。ASME规范未涉及真空环境、微陨石撞击、零重力流体动力学或全部发射振动载荷范围。航天合格容器需在ASME设计基础上附加应用ISO 28702要求。
答：只能经过大量补充验证后方可使用。ASME规范未涉及真空环境、微陨石撞击、零重力流体动力学或全部发射振动载荷范围。航天合格容器需在ASME设计基础上附加应用ISO 28702要求。
问：在轨COPV的典型使用寿命是多少？
答：航天级COPV在GEO通信卫星上已展示超过20年的使用寿命。只要容器不暴露于超过树脂玻璃化转变温度的工况，主要寿命限制因素是内衬疲劳而非复合材料退化。
答：航天级COPV在GEO通信卫星上已展示超过20年的使用寿命。只要容器不暴露于超过树脂玻璃化转变温度的工况，主要寿命限制因素是内衬疲劳而非复合材料退化。
问：如何验证COPV的先漏后破特性？
答：先漏后破通过断裂力学分析与缩比试验相结合来验证，证明金属内衬的穿透裂纹在复合材料达到临界失效应变之前即能产生可检测的泄漏率。要求至少对两个容器进行全尺寸验证试验。
答：先漏后破通过断裂力学分析与缩比试验相结合来验证，证明金属内衬的穿透裂纹在复合材料达到临界失效应变之前即能产生可检测的泄漏率。要求至少对两个容器进行全尺寸验证试验。
问：是否允许在飞行中维修压力容器？
答：通常不允许。压力容器在大多数航天系统中被归类为单点故障，飞行中维修不可行。然而，要求具备泄压和隔离能力以管理超压事件和限制微陨石穿孔造成的损害。
答：通常不允许。压力容器在大多数航天系统中被归类为单点故障，飞行中维修不可行。然而，要求具备泄压和隔离能力以管理超压事件和限制微陨石穿孔造成的损害。
