複合オーバーラップ圧力容器

複合材オーバーラップ圧力容器（COPV）は、構造繊維複合材で包まれた薄い非構造ライナーで構成され、圧力をかけた流体を保持するように設計された容器です。ライナーは流体と複合材の間にバリアを提供し、漏れ（構造破壊を引き起こさないマトリックスの微小亀裂によって発生する可能性があります）と構造の化学的劣化を防ぎます。一般的に、衝撃による損傷を防ぐために保護シェルが適用されます。 ^{[1] [ 2 ]}最も一般的に使用される複合材は、炭素繊維とケブラー繊維を使用した繊維強化ポリマー（FRP）です。同様のサイズの金属製圧力容器と比較したCOPVの主な利点は、軽量であることです。ただし、COPVでは製造と認証のコストが増加します。

複合材オーバーラップ圧力容器（COPV）は、通常、金属製ライナー、複合材オーバーラップ、および1つ以上のボスで構成される圧力容器です。^[4]強度が高く重量が軽いため、宇宙飛行で使用されます。^[5]

運転中、COPVは加圧されていない状態から膨張します。^[6]

COPV は、通常、樹脂を含浸させた高張力繊維テープを円筒形または球形の金属ライナーに直接巻き付けて製造されます。ロボットは、繊維がまっすぐに並び、交差したりよじれたりしないようにテープを配置します。交差したりよじれたりすると繊維に応力が集中し、テープ間の隙間や空隙が最小限に抑えられます。次に、容器全体を温度制御オーブンで加熱して、複合樹脂を硬化させます。

製造中、COPV はオートフレッタジと呼ばれるプロセスを経る。ユニットは加圧され、ライナーは膨張して塑性変形し (永久的に)、その結果、容積が永久的に増加する。その後、圧力が解放され、ライナーはわずかに収縮し、圧縮降伏点付近でオーバーラップによって圧縮荷重がかかる。この残留ひずみにより、サイクル寿命が向上する。容器をオートフレッタジするもう 1 つの理由は、製品ラインの圧力容器全体の容積増加が予想範囲内にとどまっていることを確認するためである。通常よりも大きな容積増加は、オーバーラップの空隙、オーバーラップ層を介した高い応力勾配、またはその他の損傷などの製造上の欠陥を示している可能性がある。^{[5] [7]}

COPVには、水圧試験、応力破断寿命、非破壊評価など、さまざまな試験と検査が実施されています。^{[8] [9]}

経年劣化によるCOPVの強度に影響を与える主な要素は、サイクル疲労、オーバーラップの経年劣化寿命、応力破断寿命の3つです。^[4]

COPV は複雑な故障モードに陥る可能性がある。2016 年、SpaceX の Falcon 9ロケットが、液体酸素タンク内の COPV の故障により発射台で爆発した。 ^[10]この故障は、COPV のアルミニウム ライナーと複合オーバーラップの間の空隙または座屈部に凍結した固体酸素が蓄積したことが原因であった。閉じ込められた酸素は、オーバーラップの繊維を破断するか、膨張して繊維間の摩擦を引き起こし、純酸素内の繊維に引火して COPV の故障を引き起こす可能性がある。同様の故障は 2015 年にCRS-7でも発生しており、COPV が破裂して酸素タンクが飛行開始から 139 秒後に過圧になり爆発した。

• ガスボンベ – 加圧ガスを貯蔵するための円筒形の容器
• 燃料タンク – 車両や石油ヒーターなどの可燃性液体を安全に保管できる容器
• 水素タンク
• グラファイトエポキシモーター – アメリカの固体ロケットブースター