CN106542123A - 具有蜂窝夹芯壁的运载火箭复合材料贮箱及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有蜂窝夹芯壁的运载火箭复合材料贮箱，贮箱包括前底盖、前封头、箱筒段内外壁、后封头、后底盖和后底池壳，前底盖与前封头连接，后封头与后底盖连接，前封头、后封头通过胶层分别固定与箱筒段的上下两端，后底盖和后底池壳螺栓连接；其特征在于，箱筒段外壁分别与前封头、后封头和箱筒段内壁蜂窝连接。本发明还公开了上述贮箱的加工方法，采用纤维缠绕成型结合纤维铺放成型胶接共固化整体成型工艺。本发明通过在贮箱封头段与箱筒段内外壁连接处增设蜂窝夹芯结构，使其剪切强度增强，贮箱结构整体轴压承载能力提高，通过缠绕加铺放胶接共固化成型技术制备贮箱，具有增强密封性，防渗漏，降低结构装配复杂性，提高生产效率等效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温存储液体的贮箱及其加工方法，特别是指具有蜂窝夹芯壁的运载火箭复合材料贮箱，可替代传统铝-锂金属贮箱。应用于运载火箭中低温推进剂的盛放、前后部件的连接、弹体完整外形的保持等。
背景技术
国内制造出的液态推进剂贮箱普遍采用金属材料，目前航天部门为了实现运载火箭整体轻质化，采用如铝-锂合金等具有高比强度、高比刚度的先进铝合金[1]。金属贮箱的制造过程大体如下：对机械或化学铣切的网格形金属平板进行机械加工，填充聚乙烯方块，从而进行贮箱壁成型。壁板成型成适当的形状以后，将其装配在夹具上，采用熔化极惰性气体保护焊进行焊接。接着，将拉伸成型的挤压角材对焊到贮箱筒壳的两端，分别用九块球面三角形瓜瓣对焊成两个箱底，并修整焊缝，得到整体贮箱结构[2]。
由于传统贮箱采用金属材料且制造过程涉及以下广泛的工艺：热处理、表面处理、钣金成形、化学铣切、机械加工、铆接、焊接等[2]。因此传统金属贮箱存在的主要缺陷有：结构质量大、工艺复杂多样、制造周期长、成本昂贵。
而由于碳纤维增强树脂基复合材料具有轻质高强等优良性能，发达国家中复合材料贮箱的使用已经十分普遍。复合材料推进器贮箱成型工艺主要采用以下三种：手糊成型，缠绕成型和铺放成型。手糊成型是用纤维增强材料和树脂胶液在模具上铺敷，室温(或加温)、无压(或低压)条件下固化，脱模成制品的成型工艺方法。缠绕成型是将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强塑料制品的成型工艺过程[3]。铺放成型工艺采用有隔离衬纸的单向预浸带，在铺带头中完成预定形状的切割、定位，加热后按照一定设计方向在压辊作用下，直接铺叠到曲率半径较大且变化缓慢的模具表面[4]。
单独采用上述三种工艺存在以下缺陷：手糊成型的缺陷：生产效率低；产品质量不易控制、性能稳定性差；产品中纤维体分比低，力学性能差。纤维缠绕成型的缺陷：缠绕成型适应性小，不能缠绕任意结构形式的制品；缠绕成型需要有缠绕机，芯模，固化加热炉，脱模机及熟练的技术工人，造价昂贵、技术要求高[3]。相比于以上成型技术，自动铺放成型技术是一种先进复合材料构件低成本、自动化、数字化制造技术。然而，自动铺放成型技术的关键在于需要有成型的自动铺放设备，国内相关研究尚处于起步阶段，只能完成一些结构简单或小尺寸复合材料结构，而大型复合材料结构还是以手工铺放成型为主，因此，国内制造工艺难以完成贮箱整体铺放成型[5]。
在贮箱构型方面，为了防止内部推进剂液体泄漏，国外成型的运载火箭复合材料推进剂贮箱通常在复合材料贮箱内部嵌入金属内衬结构。对于金属内衬复合材料贮箱，所含金属内衬不仅增加了贮箱的重量，同时，还要考虑金属内衬与复合材料贮箱内壁之间的连接问题。目前普遍采用的单壁桶状结构复合材料贮箱在复杂环境下工作时，由于受到热-力耦合载荷的影响，封头段与箱筒段之间连接处会产生较高的剪应力，导致贮箱结构渐进破坏，从而引发贮箱内推进剂的泄漏。
含内衬复合材料贮箱的设计一般采用网格理论，它忽略了树脂基体对整个复合材料层合板刚度的贡献，即认为纤维承受了全部的壳体薄膜应力[1]。在设计含金属内衬复合材料贮箱时，只需保证结构的强度要求，液体推进剂密封的功能性要求则由内衬来承担，即结构强度设计与液体推进剂的密封性功能设计是可分离的。
要得到最终复合材料贮箱构型，需要对贮箱结构连接处进行局部加强，通常采用蜂窝夹芯结构。目前，蜂窝结构普遍采用芳纶材料，对于蜂窝夹芯复合材料板，即在蜂窝结构的上下表面贴上复合材料板，蜂窝结构与复合材料板之间以胶层连接，其结构决定了特性，即质轻、受压均匀、抗压、抗弯、抗剪强度优异，且具有良好的缓冲隔振性能，从而使芳纶蜂窝在航天结构件上很快得到广泛应用[6]。
芳纶蜂窝在使用过程中有一个致命弱点，当其表面层受到磨损或出现裂缝和空隙时，水和水蒸气就很容易进入该结构的密集蜂窝中，在低温条件下，进入蜂窝中的水发生凝固膨胀自然会破坏相邻的蜂窝空格的粘结，且会引起骨牌效应最终导致饰件性能降低甚至失效破坏而急需修复或更换，这种频繁的维修会导致高昂的维护成本[6]。
[参考文献]
[1]黄诚,雷勇军.大型运载火箭低温复合材料贮箱设计研究进展[J].宇航材料工艺,2015,45(2).
[2]熊焕.低温贮箱及铝锂合金的应用[J].导弹与航天运载技术,2001(6):33-40.
[3]复合材料工艺及设备[M],武汉理工大学出版社,1994.
[4]何亚飞,矫维成,杨帆,等.树脂基复合材料成型工艺的发展[J].纤维复合材料,2011(2):7-13.
[5]还大军.复合材料自动铺放CAD/CAM关键技术研究[D].南京航空航天大学,2010.
[6]陈永鑫.改性酚醛泡沫原位填充芳纶蜂窝复合材料的制备工艺研究[D].南京航空航天大学,2014.
[7]李冠,邱俊明,邱祖民.耐低温橡胶的研究进展[J].弹性体,2010,20(03):67-71.
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种具有蜂窝夹芯壁的运载火箭复合材料贮箱及其加工方法。本发明主要利用在贮箱封头段与箱筒段内外壁连接处剪应力高的位置设置蜂窝夹芯结构，加强连接处的剪切强度，以及采用复合材料缠绕加铺放胶接共固化成型技术制作，从而达到密封性增强，防漏液，减少结构装配复杂性，提高生产效率等效果。
本发明采用的技术手段如下：
一种具有蜂窝夹芯壁的运载火箭复合材料贮箱，所述贮箱包括前底盖、前封头、箱筒段内壁、设置在所述箱筒段内壁外侧的箱筒段外壁、后封头、后底盖和后底池壳，所述前底盖与所述前封头连接，所述后封头与所述后底盖连接，所述前封头、所述后封头通过胶层分别固定与所述箱筒段内壁的上下两端，所述后底盖和所述后底池壳螺栓连接；其特征在于，
所述箱筒段外壁分别与所述前封头、所述后封头和所述箱筒段内壁蜂窝连接，其中，所述前封头与所述箱筒段内壁和所述箱筒段外壁的连接处以及所述后封头与所述箱筒段内壁和所述箱筒段外壁的连接处均构成Y型环蜂窝夹芯壁连接结构，所述箱筒段内壁和所述箱筒段外壁之间为蜂窝夹芯；所述箱筒段外壁上下两端分别与凸状连接件连接；凹状连接件与运载器内壁连接；所述凸状连接件与凹状连接件螺栓连接；装配之后，在箱筒段外壁与运载器内壁之间注入低温胶连接；
所述Y型环蜂窝夹芯壁连接结构是设置在所述箱筒段内壁边缘向上下两端延伸预设的位置上，由前封头边缘延伸部或后封头边缘延伸部、箱筒段内壁边缘延伸部、箱筒段外壁边缘延伸部、橡胶薄膜胶接层、密封带、泡沫材料胶接层和蜂窝夹芯组成，所述前封头边缘延伸部或后封头边缘延伸部与所述箱筒段内壁边缘延伸部构成所述Y型环蜂窝夹芯壁连接结构的蒙皮，所述密封带通过所述橡胶薄膜胶接层与所述前封头边缘延伸部或后封头边缘延伸部和所述箱筒段外壁边缘延伸部连接将所述蜂窝夹芯密封；所述密封带与所述蜂窝夹芯之间设有用于密封所述蜂窝夹芯多孔结构的所述泡沫材料胶接层。
进一步地，所述密封带的中部设有延长调节部。为了防止在恶劣工作环境中，蜂窝结构产生剪切应变而导致密封带拉力过大进而破损甚至崩断，因此将密封带中间自由部分段增加一段长度适度的延长调节部，其长度根据实际应用设定。
进一步地，所述前底盖、所述后底盖、所述后底池壳、所述前封头、所述箱筒段内壁、所述箱筒段外壁和所述后封头由碳纤维增强树脂基复合材料制成，尤其指IM7/977-3，IM7/977-2、T700/TDE-86以及AS4/3501-6碳纤维增强树脂基复合材料。
进一步地，所述橡胶薄膜胶接层和所述密封带采用耐低温且能在真空环境中长期工作的非结晶性硅橡胶材料[7]，尤其指氟硅橡胶、中苯基硅橡胶以及低苯基硅橡胶，所述蜂窝夹芯采用酚醛树脂-芳纶纤维蜂窝材料。
本发明还公开了一种所述的具有蜂窝夹芯壁的运载火箭复合材料贮箱的加工方法，其特征在于，所述贮箱采用纤维缠绕成型结合纤维铺放成型胶接共固化整体成型工艺，其中，所述前封头、所述后封头采用纤维缠绕成型工艺；所述箱筒段内壁和所述箱筒段外壁采用纤维铺放成型工艺；所述前底盖、所述后底盖、所述后底池壳和所述加强筋采用热压罐成型工艺。
进一步地，所述箱筒段内壁和所述箱筒段外壁的铺层方式为[0/90/0]2s，总厚度为1.5mm-1.8mm，单层厚度0.125mm-0.15mm；所述前封头和所述后封头的模数为1.54，其纤维铺层方式为[±55/±35]s，总厚度为1.0mm-1.2mm，单层厚度0.125mm-0.15mm。
本发明具有以下优点：
1.本发明采用复合材料缠绕加铺放胶接共固化成型技术，无需焊接成型，最大程度的减少组件数量和结构装配的复杂性，大幅度缩短了制造周期且提高了生产效率。
2.本发明适用于存储运载火箭的低温推进剂，针对贮箱封头段和箱筒段连接处剪应力高的情况，将连接处设置在箱筒段内壁边缘向上下两端延伸的预设位置，并在封头段、箱筒段和蜂窝结构三者交界处加入了泡沫材料，减弱了蜂窝结构在该处的应力集中，同时采用Y型环蜂窝夹芯壁结构对封头与箱筒段内外壁连接界面之间进行连接，加强连接处的剪切强度，并提高贮箱整体轴压屈曲强度，并防止蜂窝结构在冷湿环境下发生破损。
3.复合材料贮箱箱筒段内外壁采用铺放成型工艺，可以完成0°铺层的制造，在铺层数目相同的情况下，极大的提高了贮箱轴向承载能力。
4.本发明的复合材料内筒壁的铺层方式可良好的密封低温介质，节省了金属内衬的重量和设计成本，利于复合材料贮箱整体成型。
5.本发明提供了全复合材料贮箱与运载器内壁的连接方式，运载器内壁与箱筒段外壁胶接；同时，箱筒段外壁上下端胶接有一圈凸状连接件，与运载器内壁上的凹状连接件销连接或螺栓连接，避免贮箱结构晃动。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的贮箱结构剖视图。
图2为本发明蜂窝夹芯壁结构示意图。
图3为本发明的贮箱箱筒段外壁凸状连接件示意图。
图4为本发明的内壁连接件局部装配示意图。
图5为本发明的运载器内壁凹状连接件示意图。
图6为本发明的总体装配结构剖视图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种具有蜂窝夹芯壁的运载火箭复合材料贮箱，所述贮箱包括前底盖1、前封头2、箱筒段内壁4、设置在所述箱筒段内壁4外侧的箱筒段外壁12、后封头5、后底盖6和后底池壳7，所述前底盖1与所述前封头2连接，所述后封头5与所述后底盖6连接，所述前封头2、所述后封头5通过胶层分别固定与所述箱筒段内壁4的上下两端，所述后底盖6和所述后底池壳7螺栓连接；
如图2所示，所述箱筒段外壁12分别与所述前封头2、所述后封头5和所述箱筒段内壁4蜂窝连接，其中，所述前封头2与所述箱筒段内壁4和所述箱筒段外壁12的连接处以及所述后封头5与所述箱筒段内壁4和所述箱筒段外壁12的连接处均构成Y型环蜂窝夹芯壁连接结构11，所述箱筒段内壁4和所述箱筒段外壁12之间为蜂窝夹芯3；所述箱筒段外壁12上下两端分别与凸状连接件13连接(低温胶接)，如图3所示，所述凸状连接件13的凸状部设有连接孔；如图6所示，凹状连接件14与运载器内壁15连接；如图4、图5所示，所述凸状连接件13与凹状连接件14螺栓连接，所述凸状连接件13上的连接孔与凹状连接件14中的孔通过螺栓或者销连接(即图6中16所示为局部连接示意)；装配之后，在箱筒段外壁12与运载器内壁15之间注入低温胶连接；
所述Y型环蜂窝夹芯壁连接结构11设置在所述箱筒段内壁4边缘向上下两端延伸预设的位置上，由前封头边缘延伸部或后封头边缘延伸部、箱筒段内壁边缘延伸部、箱筒段外壁边缘延伸部、橡胶薄膜胶接层8、密封带9、泡沫材料胶接层10和蜂窝夹芯3组成，其中，前封头边缘延伸部或后封头边缘延伸部是指前封头2或者后封头5的一部分延伸，箱筒段内壁边缘延伸部指箱筒段内壁4的部分边缘，箱筒段外壁边缘延伸部指箱筒段外壁12的两端的部分边缘，所述前封头边缘延伸部或后封头边缘延伸部与所述箱筒段边缘延伸部构成Y型环蜂窝夹芯壁连接结构11的蒙皮，所述密封带9通过所述橡胶薄膜胶接层8与所述前封头边缘延伸部或后封头边缘延伸部和所述箱筒段外壁边缘延伸部连接将所述蜂窝夹芯3密封，蒙皮、橡胶薄膜胶层8和蜂窝夹芯3组成了蜂窝夹芯壁结构的主要承载结构，所述密封带9对Y型环蜂窝夹芯壁连接结构11密封是为了防止蜂窝结构由于湿冷的工作环境发生损伤而导致性能下降；所述密封带9与所述蜂窝夹芯3之间设有用于密封所述蜂窝夹芯3多孔结构的所述泡沫材料胶接层10，在图2中Y型的拐角位置同样设置所述泡沫材料胶接层10密封。为了防止在恶劣工作环境中，蜂窝结构产生剪切应变而导致密封带9拉力过大进而破损甚至崩断，在密封带9中部设有自由延长调节部，可增加一段长度。
所述前底盖1、所述后底盖6、所述后底池壳7、所述前封头2、所述箱筒段内壁4、所述箱筒段外壁12和所述后封头5由碳纤维增强树脂基复合材料制成。
所述橡胶薄膜胶接层8和所述密封带9采用耐低温且能在真空环境中长期工作的非结晶性硅橡胶材料，所述蜂窝夹芯3采用酚醛树脂-芳纶纤维蜂窝材料。
所述贮箱采用纤维缠绕成型结合纤维铺放成型胶接共固化整体成型工艺，其中，所述前封头2、所述后封头5采用纤维缠绕成型工艺；所述箱筒段内壁4和所述箱筒段外壁12采用纤维铺放成型工艺；所述前底盖1、所述后底盖6、所述后底池壳7和所述加强筋10采用热压罐成型工艺。
所述箱筒段内壁4和所述箱筒段外壁12的铺层方式为[0/90/0]2s，总厚度为1.5mm-1.8mm，单层厚度0.125mm-0.15mm；所述前封头2和所述后封头5的模数为1.54，其纤维铺层方式为[±55/±35]s，总厚度为1.0mm-1.2mm，单层厚度0.125mm-0.15mm。
实施例1
所述贮箱的纤维缠绕成型结合纤维铺放成型胶接共固化整体成型工艺中缠绕成型工艺和铺放成型工艺如下：缠绕成型工艺：首先，选取贮箱封头形状的芯模，封头模数为1.54，芯模直径为2m-5m，顶端留有极孔，极孔直径为0.2m-0.5m。然后，在控制纤维张力和预定线型的条件下，选用12K单束碳纤维从极孔圆周上出发，沿着封头曲面上与极孔相切的曲线绕过封头，直至芯模表面均匀布满纤维为止，其中缠绕角度跟铺层中相同，分别为55°和35°。缠绕时芯模绕自身轴线匀速转动，导丝头按不超过0.9m/s的速率沿芯模轴线方向往复运动。最后，将带纤维的芯模浸入树脂，并在加热条件下，使之固化成型制成封头形状。
铺放成型工艺：尤其指自动铺放成型技术，即使用CNC纤维自动铺放机实现箱筒段内壁4和箱筒段外壁12的整体成型。通过在计算机上设定箱筒段内壁4和箱筒段外壁12的尺寸参数，包括其长度4m-6m、直径2m-5m、纤维体分比60％、铺层角度[0/90/0]2s、总厚度为1.5mm-1.8mm以及单层厚度0.125mm-0.15mm，即可完成贮箱箱筒段的成型。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种具有蜂窝夹芯壁的运载火箭复合材料贮箱，所述贮箱包括前底盖(1)、前封头(2)、箱筒段内壁(4)、设置在所述箱筒段内壁(4)外侧的箱筒段外壁(12)、后封头(5)、后底盖(6)和后底池壳(7)，所述前底盖(1)与所述前封头(2)连接，所述后封头(5)与所述后底盖(6)连接，所述前封头(2)、所述后封头(5)通过胶层分别固定与所述箱筒段内壁(4)的上下两端，所述后底盖(6)和所述后底池壳(7)螺栓连接；其特征在于，
所述箱筒段外壁(12)分别与所述前封头(2)、所述后封头(5)和所述箱筒段内壁(4)蜂窝连接，其中，所述前封头(2)与所述箱筒段内壁(4)和所述箱筒段外壁(12)的连接处以及所述后封头(5)与所述箱筒段内壁(4)和所述箱筒段外壁(12)的连接处均构成Y型环蜂窝夹芯壁连接结构(11)，所述箱筒段内壁(4)和所述箱筒段外壁(12)之间为蜂窝夹芯(3)；所述箱筒段外壁(12)上下两端分别与凸状连接件(13)连接；凹状连接件(14)与运载器内壁(15)连接；所述凸状连接件(13)与凹状连接件(14)螺栓连接；装配之后，在箱筒段外壁(12)与运载器内壁(15)之间注入低温胶连接；
所述Y型环蜂窝夹芯壁连接结构(11)是设置在所述箱筒段内壁(4)边缘向上下两端延伸预设的位置上，由前封头边缘延伸部或后封头边缘延伸部、箱筒段内壁边缘延伸部、箱筒段外壁边缘延伸部、橡胶薄膜胶接层(8)、密封带(9)、泡沫材料胶接层(10)和蜂窝夹芯(3)组成，所述前封头边缘延伸部或后封头边缘延伸部与所述箱筒段内壁边缘延伸部构成所述Y型环蜂窝夹芯壁连接结构(11)的蒙皮，所述密封带(9)通过所述橡胶薄膜胶接层(8)与所述前封头边缘延伸部或后封头边缘延伸部和所述箱筒段外壁边缘延伸部连接将所述蜂窝夹芯(3)密封；所述密封带(9)与所述蜂窝夹芯(3)之间设有用于密封所述蜂窝夹芯(3)多孔结构的所述泡沫材料胶接层(10)。
2.根据权利要求1所述的具有蜂窝夹芯壁的运载火箭复合材料贮箱，其特征在于，所述密封带(9)的中部设有延长调节部。
3.根据权利要求1或2所述的具有蜂窝夹芯壁的运载火箭复合材料贮箱，其特征在于，所述前底盖(1)、所述后底盖(6)、所述后底池壳(7)、所述前封头(2)、所述箱筒段内壁(4)、所述箱筒段外壁(12)和所述后封头(5)由碳纤维增强树脂基复合材料制成。
4.根据权利要求1或2所述的具有蜂窝夹芯壁的运载火箭复合材料贮箱，其特征在于，所述橡胶薄膜胶接层(8)和所述密封带(9)采用耐低温且能在真空环境中长期工作的非结晶性硅橡胶材料，所述蜂窝夹芯(3)采用酚醛树脂-芳纶纤维蜂窝材料。
5.一种权利要求1或2所述的具有蜂窝夹芯壁的运载火箭复合材料贮箱的加工方法，其特征在于，所述贮箱采用纤维缠绕成型结合纤维铺放成型胶接共固化整体成型工艺，其中，所述前封头(2)、所述后封头(5)采用纤维缠绕成型工艺；所述箱筒段内壁(4)和所述箱筒段外壁(12)采用纤维铺放成型工艺；所述前底盖(1)、所述后底盖(6)、所述后底池壳(7)和所述加强筋(10)采用热压罐成型工艺。
6.根据权利要求5所述的加工方法，其特征在于，所述箱筒段内壁(4)和所述箱筒段外壁(12)的铺层方式为[0/90/0]2s，总厚度为1.5mm-1.8mm，单层厚度0.125mm-0.15mm；所述前封头(2)和所述后封头(5)的模数为1.54，其纤维铺层方式为[±55/±35]s，总厚度为1.0mm-1.2mm，单层厚度0.125mm-0.15mm。
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