CN105370440B - 一种基于承力式复合材料贮箱的上面级构型 - Google Patents
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Abstract
一种基于承力式复合材料贮箱的上面级构型，包括：仪器舱(1)、承力式复合材料贮箱(2)、发动机(3)、发动机支架(4)和连接支架(5)；仪器舱(1)固定在发动机支架(4)的顶部，发动机支架(4)连接在发动机(3)上端，承力式复合材料贮箱(2)环绕发动机支架(4)的轴线分布，一端固定在仪器舱(1)底部，另一端固定在连接支架(5)上，连接支架(5)与外部结合相连；承力式复合材料贮箱(2)为胶囊形状，采用碳纤维复合材料。本发明采用承力式复合材料贮箱作为主承力结构，优化上面级构型布局和传力特性，在实现轻质化的同时提高了上面级的动力学性能，有效提高上面级结构效率，提升上面级性能指标。
Description
技术领域
本发明涉及一种上面级构型。
背景技术
上面级是航天运输系统的重要组成部分，未来上面级发展具有灵活、机动、长期在轨等能力需求，对上面级总体性能方面提出更为先进的要求，在动力系统、电气系统、结构系统等方面都要求应用先进技术，达到长期在轨、多次起动、结构轻质化等性能要求。上面级的入轨质量对结构质量的敏感性很强，降低1kg的结构质量，即可增加1kg的有效载荷入轨质量。因此，优化上面级的总体构型和布局，设计使用相应上面级轻质化结构，是提升上面级性能指标的重要途径。
目前，国际上经典上面级如俄罗斯Fregat上面级、美国MiTex上面级及惯性上面级(IUS)等都采用传统的构型布局，采用承力梁或承力舱段作为主承力结构，贮箱等组件与承力结构连接，构成上面级结构布局，未采用贮箱作为主承力结构从而进行传力路径优化；结构布局不够紧凑，还有优化的空间；推进剂贮箱普遍采用金属材料，未充分采用复合材料等高强度、高刚度的材料进行减重，结构效率低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于承力式复合材料贮箱的上面级构型，采用承力式复合材料贮箱作为主承力结构，优化上面级构型布局和传力特性，在实现轻质化的同时提高了上面级的动力学性能，有效提高上面级结构效率，提升上面级性能指标。
本发明所采用的技术方案是：一种基于承力式复合材料贮箱的上面级构型，包括：仪器舱、承力式复合材料贮箱、发动机、发动机支架和连接支架；仪器舱固定在发动机支架的顶部，发动机支架连接在发动机上端，承力式复合材料贮箱环绕发动机的轴线分布，一端固定在仪器舱底部，另一端固定在连接支架上，连接支架与外部结构相连；承力式复合材料贮箱为胶囊形状，采用碳纤维复合材料。
所述承力式复合材料贮箱绕发动机等夹角分布，与仪器舱和连接支架用螺栓进行连接。
所述承力式复合材料贮箱的数量为4个或6个。
所述承力式复合材料贮箱直径大于Φ1000mm，内衬为金属内衬或无内衬结构。
所述碳纤维复合材料纵、环向铺层厚度比为1:1。
所述发动机支架绕发动机等夹角分布，数量为3个或4个，发动机支架材料为碳纤维复合材料。
所述仪器舱为锥形壳段，底部直径为Φ1000mm～Φ1800mm，顶部直径为Φ600mm～Φ1400mm，高度为200mm～500mm。
所述连接支架为圆环形。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用承力式复合材料的贮箱等结构作为主承力结构进行上面级结构构型布局设计，降低上面级结构质量，可使承力式复合材料贮箱较承力式金属贮箱减重30％以上，实现了上面级结构轻质化。
(2)本发明与现有技术中采用额外的承力结构作为上面级主承力件的结构相比，承力式复合材料贮箱具备承载力学载荷和贮存推进剂等多项功能，本发明优化了上面级构型的总体构型和结构布局，简化上面级结构组成，使上面级结构更紧凑，降低了上面级高度，可以有效降低上面级高度10％-20％，提高了上面级结构效率，传力性能好，提高了上面级的动力学性能。
(3)本发明的基于承力式复合材料贮箱的上面级构型结构简单，重量轻，有利于降低航天运输系统的整体结构重量，易于工程化实现，具有重要的工程实现意义。
(4)本发明采用承力式复合材料的贮箱为大型轴向承力的复合材料贮箱，同时承受内压和轴向载荷，改变传统复合材料纵环向铺层厚度比，贮箱可用于贮存低温推进剂，提出了大型轴向承力复合材料贮箱的新型设计方案。
附图说明
图1为本发明上面级构型的主视图。
图2为本发明上面级构型的仰视图。
图3为本发明发动机支架的主视图。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种基于承力式复合材料贮箱的上面级构型，包括：仪器舱1、承力式复合材料贮箱2、发动机3、发动机支架4和连接支架5。仪器舱1固定在发动机支架4的顶部，连接支架5为圆环形，固定在发动机支架4的底部，发动机支架4连接在发动机3上端，承力式复合材料贮箱2为胶囊形状，四个承力式复合材料贮箱2环绕发动机3的轴线分布且一端固定在连接支架5、另一端固定在仪器舱1底部上。承力式复合材料贮箱2采用碳纤维复合材料。所述承力式复合材料贮箱2绕发动机3等夹角分布，数量为4个或6个，与仪器舱1和连接支架5用螺栓进行连接。如图3所示，发动机支架4为杆状结构，发动机支架4绕发动机3等夹角分布，每个发动机支架4安装后与发动机3轴呈一定夹角，起支撑作用，数量为3个或4个，发动机支架4横截面形状为圆形、环形或方形。所述仪器舱1为锥形壳段，底部直径为Φ1000mm～Φ1800mm，顶部直径为Φ600mm～Φ1400mm，高度为200mm～500mm。
发动机3通过发动机支架4直接与仪器舱1连接，将推力直接传递给仪器舱1，仪器舱1直接与承力式复合材料贮箱2螺接，使承力式复合材料贮箱2承受上面级自主动力飞行段发动机推力等主要载荷。
承力式复合材料贮箱2承受除推进剂过载以及承力式复合材料贮箱2增压压力外，还承受并传递火箭上升主动段的过载。承力式的承力式复合材料贮箱2全部采用复合材料，承力式复合材料贮箱2减轻结构重量，由于复合材料属于各向异性材料，具有比强度高和比模量高、可设计性强、易于整体成型、破坏后无二次损伤等优点，对承力式复合材料贮箱2进行优化设计，使得承力式复合材料贮箱2在垂直承力方向上具有最优承载能力，有效减轻结构重量，最大可使承力式复合材料贮箱较承力式金属贮箱减重30％以上，根据具体结构设计方案，与传统上面级相比，采用承力式复合材料贮箱2可以有效降低上面级高度10％-20％。所述承力式复合材料贮箱2为大型轴向承力的复合材料贮箱，承力式复合材料贮箱2直径大于Φ1000mm，碳纤维复合材料纵、环向铺层厚度比为1:1，贮箱内衬为金属内衬(如铝合金或钛合金)或无内衬结构，承力式复合材料贮箱2同时承受内压和轴向载荷。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。
Claims (5)
1.一种基于承力式复合材料贮箱的上面级构型，其特征在于，包括：仪器舱(1)、承力式复合材料贮箱(2)、发动机(3)、发动机支架(4)和连接支架(5)；仪器舱(1)固定在发动机支架(4)的顶部，发动机支架(4)连接在发动机(3)上端，承力式复合材料贮箱(2)环绕发动机(3)的轴线分布，一端固定在仪器舱(1)底部，另一端固定在连接支架(5)上，连接支架(5)与外部结构相连；承力式复合材料贮箱(2)为胶囊形状，采用碳纤维复合材料；
所述承力式复合材料贮箱(2)绕发动机(3)等夹角分布，与仪器舱(1)和连接支架(5)用螺栓进行连接；所述承力式复合材料贮箱(2)直径大于Φ1000mm，内衬为金属内衬或无内衬结构；所述碳纤维复合材料纵、环向铺层厚度比为1:1。
2.根据权利要求1所述的一种基于承力式复合材料贮箱的上面级构型，其特征在于：所述承力式复合材料贮箱(2)的数量为4个或6个。
3.根据权利要求1所述的一种基于承力式复合材料贮箱的上面级构型，其特征在于：所述发动机支架(4)绕发动机(3)等夹角分布，数量为3个或4个，发动机支架(4)材料为碳纤维复合材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于承力式复合材料贮箱的上面级构型，其特征在于：所述仪器舱(1)为锥形壳段，底部直径为Φ1000mm～Φ1800mm，顶部直径为Φ600mm～Φ1400mm，高度为200mm～500mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于承力式复合材料贮箱的上面级构型，其特征在于：所述连接支架(5)为圆环形。
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