CN103057849A

CN103057849A - 一种耐腐蚀抗压三层结构贮箱

Info

Publication number: CN103057849A
Application number: CN2012105912372A
Authority: CN
Inventors: 韩钰; 薛彩军; 戴建华; 张俊苗
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2012-12-31
Publication date: 2013-04-24

Abstract

本发明公开了一种具有三层结构的燃料贮存箱，属于航天器设备技术领域。包括有内层、中间层和外层，其特征在于：所述的内层的材质耐贮箱内部燃料腐蚀，所述的外层是壳体，所述的中间层是气体、固态胶体或者液体，中间层密封于内层和外层之间。内层结构具有很强的耐腐蚀性，承受载荷的能力较小；中间层结构具有良好的传载特性，能够把贮箱内部产生的载荷均匀的过渡到外层，不会产生较大的应力集中，避免内层结构破坏；外层结构可以承受大部分载荷，由于高腐蚀性的燃料已被内层结构隔离，因此外层结构不会受到腐蚀，以上设计可以有效提高贮箱的使用寿命。

Description

一种耐腐蚀抗压三层结构贮箱

技术领域

本发明公开了一种燃料贮存箱，特别涉及的是一种具有三层结构的燃料贮存箱，属于飞行器设备技术领域。

背景技术

贮箱是用于贮存以液态的方式存在的推进剂，为发动机系统提供能量供给的设备。贮箱作为火箭动力系统的重要组成部分，其结构设计要充分兼顾其使用特性。一方面，燃料贮箱中存储的液体燃料通常具有一定的腐蚀性，从而造成贮箱普遍使用寿命较短。另一方面，贮箱壁需要承受来自内部和外部系统的载荷作用，从而在贮箱结构内部产生较大的应力。综合以上因素，贮箱的设计要充分考虑到结构使用材料的抗腐蚀性以及结构强度要求。现阶段，国内外关于贮箱的设计主要偏重于采用在贮箱内壁涂镀耐腐蚀性高的防护层。但是这层防护层不具有结构的独立性，在内外载荷的作用下极有可能导致局部脱落，防护失效，使得贮箱被带有腐蚀性的燃料侵蚀，最终贮箱的结构破坏。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有抗压、耐腐蚀性能的航天器燃料贮存箱。该贮箱既具有很好的耐腐蚀性，又可满足较高的结构强度要求，同时应兼顾考虑减轻结构质量。采用的技术方案是：

一种耐腐蚀抗压三层结构贮箱，包括有内层、中间层和外层，所述的内层的材质耐贮箱内部燃料腐蚀，所述的外层是壳体，所述的中间层是气体、固态胶体或者液体，中间层密封于内层和外层之间。

采用这样的结构时，克服了现有技术中贮箱内壁涂镀防护层局部脱落、防护失效、不具有独立结构的问题。通常，航天器贮箱储存燃料包括：煤油，偏二甲肼，液氢，丙烷，乙醇，端羟基液态聚丁二烯橡胶(HTPB)。当采用煤油作为燃料时，可以使用铝，不锈钢，镍合金、Teflon(聚四氟乙烯，商品名特氟龙)作为内层防腐蚀层；当采用偏二甲肼作为燃料时，可以使用铝，不锈钢，Kel-F(聚三氟氯乙烯橡胶)作为内层防腐蚀层。当采用液氢、丙烷、乙醇、端羟基液态聚丁二烯橡胶(HTPB)作为燃料，可以使用不锈钢、钛合金或铝合金作为内层防腐蚀层。内层材料要尽可能使内层结构具有一定的柔性、无泄漏以及光滑，例如铝和铝合金等。

中间层的作用是将内层贮箱的内部载荷传递至外层结构，中间层的填充物一般最好采用的是非金属材料，其具有将贮箱内部产生的作用力均匀的过渡到外层结构的特性，中间层的结构独立，不会产生过高的应力集中，避免内层结构破坏。另外，中间层的填充物可以根据实际情况进行优选，使其还具有充当冷却剂、推进剂的作用。

针对中间层结构的特点，设计出以下三种方案可根据具体情况进行选择。

第一，在内层结构和外层结构之间填充气体，作为独立的中间层结构。所选取的填充气体应具有密度小、无腐蚀性，高温下性质稳定、不易于其他物质发生化学反应、具有良好的传载能力的特点，例如可选取氮气、氦气或氩气，这三种气体均具有密度小，化学性质稳定等特点，填充一定体积后，仅会给整个贮箱结构带来很小的质量变化，具有良好的减重优势。

第二，在内外层结构之间填充液体，作为独立的中间层结构。所选取的填充液体应具有密度小，腐蚀性低，流动性好，热膨胀系数小，具有良好的传力能力的特点，同时该液体可兼做冷却剂或推进剂，例如可选取液态氧、酒精或者过氧化氢，这两种物质的腐蚀性低，流动性好等特点，同时这两种物质可兼做冷却剂和推进剂，在火箭发动机工作时，可以使用中间层的酒精、过氧化氢用于发动机的工作，因而其也可以起到减重的作用。只要在中间层的液体填充量大于其使用量，使发动机停机时，中间层中仍然保留一部分液体填充物，就可以保证中间层仍然具有传递应力的作用。

第三，在内外层结构之间注胶，形成的固态胶体作为独立的中间层结构。所选取的胶应具有粘接力强、收缩性小、耐介质性好、工艺性好、密度小，良好的传载能力等特点，对金属、玻璃、塑料、陶瓷等材料都有较好的黏附力。则形成的胶接层可以有效提高结构的强度。提高贮箱结构的合理性。可以根据内层、外层的材质，选取不同的注胶，例如酚醛-丁腈类结构胶，环氧酚醛类结构胶，通过加热即可实现注胶的固化。特别地，在环氧树脂胶中加入固化剂促进胶体的固体，例如：芳香族多胺、酸醉、双氰胺等固化剂。

上述的外层的材质也可以采用是铝合金、钛合金、不锈钢等。外层结构具有高强度特性，作为贮箱的壳体。所选取的材料具备高比强度，高比模量，低密度的特点；所以，外层材料一般选用比强度以及比模量高的金属材料。

技术效果

第一，本发明采用三层结构，内层结构采用具有良好的耐腐蚀性的材料，外层结构采用高强度材料，中间层结构采用传载能力好的材料。内层结构具有很强的耐腐蚀性，承受载荷的能力小；中间层结构具有良好的传载特性，能够把贮箱内部产生的载荷均匀的过渡到外层，不会产生较大的应力集中，避免内层结构破坏；外层结构可以承受大部分载荷，由于高腐蚀性的燃料已被内层结构隔离，因此外层结构不会受到腐蚀，以上设计可以有效提高贮箱的使用寿命。

第二，相比于采用在贮箱内壁涂镀耐腐蚀性高的防护层的技术，本发明的内层结构具有完整独立性，可承受一定的载荷，中间层结构也具有一定的隔离腐蚀的作用，以上设计既具有良好的防护性，又不会被轻易破坏。

第三，中间层结构材料选用的是非金属材料，具有密度小，质量轻的特点。此外，中间层结构若采用填充液体，则其可充当推进剂或冷却液；若填充气体，也可以有效地减轻结构重量；中间层结构若采用填充固态胶体，则形成的胶接层可以有效提高结构的强度。以上设计具有良好的减重优势。

第四，此次设计的贮箱是三层结构，能够兼顾贮箱所应具备的两种特性：耐腐蚀性和承受较大的作用载荷。而且使贮箱的这两种特性彼此独立，互不影响。因此可以根据贮箱中所储存燃料的腐蚀性的强弱，更换内层结构材料，根据贮箱的使用需求，更换中间层结构材料，体现出此次设计的贮箱具有良好的适应性。

附图说明

图1是本发明提供的燃料贮存箱的侧向的层状结构示意图。

图2是本发明提供的燃料贮存箱的侧向的层状结构示意图。

图3是本发明提供的燃料贮存箱的截面方面的层状结构示意图

其中，1是外层；2是中间层；3是内层。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种耐腐蚀抗压三层结构贮箱，贮箱的外层结构采用半硬壳式结构（蒙皮-桁条结构），将桁条焊接在蒙皮上(也可以采用梁式、硬壳式结构替代)，外层结构采用铝合金。贮箱的内层结构采用铝，其加工成型后采用搅拌摩擦焊接技术连接，冷却后具有可靠的连接性与密封性。内外层结构采用同轴设计，利用夹具将内层结构和外层结构夹持，固定好相对位置；使内层和外层之间形成空腔，该空腔用于填充中间层的材料。根据贮箱的不同使用需求，确定使用某种具体的中间层结构，根据注胶，填充液体，填充气体工艺进行加工。本实施例中，中间层采用的是填充氮气。中间层密封于外层和内层之间。

本实施例中的贮箱，由于内层采用了铝材料，其具有光滑，一定的柔性，无泄漏的特点，当使用偏二甲肼火箭燃料时，其可以有效地防止燃料的腐蚀作用；中间层采用的是填充氮气，它可以将内层产生的应力向外层传递，外层为整个贮箱提供机械强度。

本实施例中，内层材料可以用不锈钢，镍合金或者特氟龙代替；中间层也可以用氦气或者氩气代替，也可以实现本发明的技术方案。

实施例2

与实施例1的区别在于：内层采用镍合金材料，中间层采用填充液态氧，外层采用铝合金材料。当贮箱存储煤油时，采用镍合金材料可以满足其抗腐蚀性要求。中间层填充的是液态氧，既可以将内层产生的应力向外层传递，又可以充当氧化剂。液态氧的质量应和内层煤油的质量按照一定比例搭配，以保证在液态氧耗尽之前，内层中储存的煤油耗尽或仅存少量，不会产生很大应力致使内层破坏。外层结构采用的是铝合金，能够满足结构强度要求。

本实施例中，中层材料可以用过氧化氢代替，内层的材料也可以采用铝，不锈钢，Kel-F、特氟龙代替，也可以实现发明的技术方案。

实施例3

与实施例1,2的区别在于：内、外层均采用铝合金材料，中间层采用环氧树脂胶，并加入双氰胺固化剂促进环氧树脂胶的固化，形成的胶接层作为独立的中间层结构。当储存液态丙烷时，采用铝合金可以满足其抗腐蚀性的要求。中间层采用注胶方式，既可以将内层产生的应力向外层传递，又可以提高结构的强度，同时胶的密度小，可以有效的减轻结构重量。外层结构采用的是铝合金，能够满足结构的强度要求。

本实例中，内层材料也可以采用不锈钢，钛合金代替，也可以实现本发明的技术方案。

实施例4

与实施例1的区别在于：内层材料可以采用铝、不锈钢或者Kel-F（聚三氟氯乙烯橡胶）中的一种，该贮箱适用于内层中使用煤油作为燃料，可以有效地耐燃料腐蚀。

实施例5

与实施例1的区别在于：内层材料可以采用不锈钢、钛合金或铝合金中的一种，该贮箱可以适用于内层中使用液氢、丙烷、乙醇、端羟基液态聚丁二烯橡胶（HTPB）作为燃料，可以有效地耐燃料腐蚀。

Claims

1.一种耐腐蚀抗压三层结构贮箱，包括有内层、中间层和外层，其特征在于：所述的内层的材质耐贮箱内部燃料腐蚀，所述的外层是壳体，所述的中间层是气体、固态胶体或者液体，中间层密封于内层和外层之间。

2.根据权利要求1所述的耐腐蚀抗压三层结构贮箱，其特征在于：所述的气体是氮气、氩气或者氦气。

3.根据权利要求1所述的耐腐蚀抗压三层结构贮箱，其特征在于：所述的液体是液态氧、酒精或过氧化氢。

4.根据权利要求1所述的耐腐蚀抗压三层结构贮箱，其特征在于：所述的固态胶体是环氧树脂或硅胶。

5.根据权利要求1所述的耐腐蚀抗压三层结构贮箱，其特征在于：所述的贮箱内部燃料是煤油，所述的耐贮箱内部燃料腐蚀的材料是铝、不锈钢、镍合金、Teflon中的一种。

6.根据权利要求1所述的耐腐蚀抗压三层结构贮箱，其特征在于：所述的贮箱内部燃料是偏二甲肼，所述的耐贮箱内部燃料腐蚀的材料是铝、不锈钢、Kel-F中的一种。

7.根据权利要求1所述的耐腐蚀抗压三层结构贮箱，其特征在于：所述的贮箱内部燃料是液氢、丙烷、乙醇、端羟基液态聚丁二烯橡胶中的一种，所述的耐贮箱内部燃料腐蚀的材料是不锈钢、钛合金或铝合金中的一种。

8.根据权利要求1所述的耐腐蚀抗压三层结构贮箱，其特征在于：所述的外层的材质是铝合金、钛合金或不锈钢。