CN107355316A - 空间大容积复合材料表面张力贮箱 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空间大容积复合材料表面张力贮箱，其包括内衬、第一缠绕层、第二缠绕层、裙座和环向缠绕层，所述第一缠绕层缠绕于内衬的外侧，所述第二缠绕层缠绕于第一缠绕层的上部和下部，所述裙座嵌套于第二缠绕层的外侧，所述环向缠绕层缠绕于裙座的外侧，所述内衬的内侧设有防晃装置。本发明解决了现有空间推进剂贮箱容积小、结构效率低、安装方式单一等问题。复合材料贮箱壳体+安装裙座的结构贮箱成为了解决大容积贮箱的结构重量大、力学环境适应性弱的路径之一。

Description

空间大容积复合材料表面张力贮箱

技术领域

本发明涉及一种空间大容积复合材料表面张力贮箱，属于航天器制造技术领域。

背景技术

空间推进剂贮箱是各类航天器推进系统的必备重要组件，主要功能是贮存和管理推进剂。随着深空探测等项目的发展，对空间推进系统的推进剂装载量要求呈上升趋势，随之空间推进剂贮箱的容积向着大容积、轻质化方向发展。目前国内的最大空间推进剂贮箱容积不大于2000L，且壳体大多采用金属材料壳体。

与金属材料壳体贮箱相比，复合材料贮箱具有重量轻、可靠性高、失效模式安全等诸多优点。随着航天事业的发展。对航天产品的重量和安全要求越来越苛刻，轻质、可靠、安全的复合材料贮箱对于减轻结构质量、提高飞行器的性能、保障发射安全和降低发射成本等具有重要意义。

复合材料容器的发展始于20世纪50年代，主要应用在高压气瓶上。随着贮箱的大容积、轻质化要求，复合材料容器技术开始应用在推进剂贮箱上。复合材料贮箱主要由金属内衬、复合材料缠绕层、推进剂管理装置和安装结构组成，金属内衬一般选用薄壁铝合金内衬或钛合金内衬；复合材料缠绕层多选用碳纤维+环氧树脂体系，由于其技术成熟并广泛用于高压复合材料气瓶上；推进剂管理装置根据任务剖面和性能要求主要包括金属膜片、表面张力、金属膜盒、非金属隔膜等；安装结构主要由安装法兰、安装箍带、安装底座、安装裙座等，但对于容积较大的贮箱只有安装法兰和安装裙座可以适用。

为了满足空间推进系统对贮箱大容积、轻质化的要求，采用金属材料壳体的贮箱无法满足其苛刻的轻质化要求，且安装法兰与金属壳体整体加工成型的结构已成为制约大容积空间推进剂贮箱发展的瓶颈。

发明内容

针对空间推进剂贮箱大容积、轻重量的要求和现有法兰安装贮箱结构效率不高的现实，本发明提供了一种大容积、轻重量的薄壁金属内衬碳纤维缠绕复合材料表面张力贮箱。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种空间大容积复合材料表面张力贮箱，其包括内衬、第一缠绕层、第二缠绕层、裙座和环向缠绕层，所述第一缠绕层缠绕于内衬的外侧，所述第二缠绕层缠绕于第一缠绕层的上部和下部，所述裙座嵌套于第二缠绕层的外侧，所述环向缠绕层缠绕于裙座的外侧，所述内衬的内侧设有防晃装置。

作为优选方案，所述内衬包括内衬本体、上封头和下封头，所述上封头和下封头分别固设于内衬本体的顶部和底部。

作为优选方案，所述上封头的顶部设有气路接嘴，所述下封头的底部设有液路接嘴。

作为优选方案，所述下封头的表面设有推进剂管理装置。

作为优选方案，所述上封头和下封头的外型面均为椭球型面，所述椭球的短轴与长轴的长度之比为(0.6～0.7):1。

作为优选方案，所述内衬的材料为铝合金或钛合金。

作为优选方案，所述气路接嘴和液路接嘴的材料与内衬的材料相同。

作为优选方案，所述防晃装置的材料为铝合金或钛合金。

作为优选方案，所述推进剂管理装置包括网、骨架和叶片。

作为优选方案，所述裙座的材料为铝合金或层状结构复合材料。

作为优选方案，所述第一缠绕层、第二缠绕层和环向缠绕层的材料均为碳纤维 /环氧复合材料。

作为优选方案，所述第一缠绕层、第二缠绕层和环向缠绕层的制备方法均相同，具体为：

将环氧树脂、固化剂、促进剂和增塑剂混合成胶状液体，将碳纤维浸渍于所述胶状液体后，进行缠绕和固化。

作为优选方案，所述铝合金选自5A06铝合金、2A12铝合金、2A14铝合金、 7A04铝合金、7A09铝合金和7055铝合金中的一种。

作为优选方案，所述钛合金选自TA0、TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TA7、 TA8、TA9、TA10和TC4中的一种。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明解决了现有空间推进剂贮箱容积小、结构效率低、安装方式单一等问题。复合材料贮箱壳体+安装裙座的结构贮箱成为了解决大容积贮箱的结构重量大、力学环境适应性弱的路径之一；

2、使用本发明所述方法制造的复合材料表面张力贮箱可用于深空探测、载人飞船等领域，可有效降低其结构质量，增加有效载荷，降低发射成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明所述空间大容积复合材料表面张力贮箱结构示意图；

图2为本发明中空间大容积复合材料表面张力贮箱的下封头部分的局部放大图；

图中：11、内衬本体；12、上封头；13、下封头；2、第一缠绕层；3、第二缠绕层；4、裙座；5、环向缠绕层；6、推进剂管理装置；7、防晃装置；8、液路接嘴； 9、气路接嘴。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1和2所示，本发明提供的一种空间大容积复合材料表面张力贮箱，包括内衬、第一缠绕层2、第二缠绕层3、裙座4和环向缠绕层5，第一缠绕层2缠绕于内衬的外侧，第二缠绕层3缠绕于第一缠绕层2的上部和下部，裙座4嵌套于第二缠绕层3的外侧，环向缠绕层5缠绕于裙座4的外侧，内衬的内侧设有防晃装置7。

内衬包括内衬本体11、上封头12和下封头13，上封头12和下封头13分别固设于内衬本体11的顶部和底部。

上封头12的顶部设有气路接嘴9，下封头13的底部设有液路接嘴8。

下封头13的表面设有推进剂管理装置6。

上封头12和下封头13的外型面均为椭球型面，椭球的短轴与长轴的长度之比为(0.6～0.7):1。

内衬的材料为铝合金或钛合金。

气路接嘴9和液路接嘴8的材料与内衬的材料相同。

防晃装置7的材料为铝合金或钛合金。

推进剂管理装置6包括网、骨架和叶片。

裙座4的材料为铝合金或层状结构复合材料。

第一缠绕层、第二缠绕层和环向缠绕层的材料均为碳纤维/环氧复合材料。

第一缠绕层、第二缠绕层和环向缠绕层的制备方法均相同，具体为：

将环氧树脂、固化剂、促进剂和增塑剂混合成胶状液体，将碳纤维浸渍于所述胶状液体后，进行缠绕和固化。

作为优选方案，所述铝合金选自5A06铝合金、2A12铝合金、2A14铝合金、 7A04铝合金、7A09铝合金和7055铝合金中的一种。

作为优选方案，所述钛合金选自TA0、TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TA7、 TA8、TA9、TA10和TC4中的一种。

实施例1

本实施例涉及一种空间大容积复合材料表面张力贮箱的制造方法，具体包括如下步骤：

步骤一：金属内衬由内衬本体、上封头和下封头组成，上封头和下封头的外型面为椭球型面，椭球短轴与长轴的比值在0.6～0.7范围；内衬本体的厚度(δ)在1.0～3.0mm 范围，内衬本体的高度(H)在1900～2200mm范围，直径(D)在1200～1350mm范围。制备金属内衬的材料为铝合金5A06，构成金属内衬的内衬本体、上封头和下封头通过焊接方式装配在一起。

步骤二：在金属内衬外表面采用湿法缠绕工艺进行碳纤维复合材料层(第一缠绕层) 的制备工作，即将环氧树脂与固化剂、促进剂和增塑剂等按照一定比例混合成均匀胶装液体，然后将浸有胶液的碳纤维依照螺旋缠绕、环向缠绕的顺序缠绕在金属内衬外表面上，碳纤维缠绕层的厚度为1mm～3mm。

步骤三：在复合材料缠绕层内衬本体上缠绕裙座定位缠绕层(第二缠绕层)，采用湿法缠绕工艺进行制备工作，即将环氧树脂与固化剂、促进剂和增塑剂等按照一定比例混合成均匀胶装液体，然后将浸有胶液的碳纤维按环向缠绕的方式缠绕在复合材料缠绕层外表面上，裙座定位缠绕层的厚度为4mm～8mm，复合成带一定倾斜角度的自锁结构。

步骤四：将步骤三缠绕成形后的壳体放入固化炉中进行固化。经固化后将金属内衬、碳纤维复合材料层和裙座定位缠绕层牢固粘结在一起。

步骤五：裙座安装在金属内衬的内衬本体的裙座定位缠绕层处的安装裙座的材料为铝合金5A06、2A12、2A14、7A04、7A09和7055或复合材料碳纤维铺层结构，通过胶接的方式固定在裙座定位缠绕层上。

步骤六：在裙座]外面缠绕环向缠绕层，采用湿法缠绕工艺进行制备工作，即将环氧树脂与固化剂、促进剂和增塑剂等按照一定比例混合成均匀胶装液体，然后将浸有胶液的碳纤维按环向缠绕的方式缠绕在裙座外表面上，裙座定位缠绕层的厚度2mm～5mm。

步骤七：将步骤六缠绕成形后的壳体放入固化炉中进行固化。经固化后将安装裙座和环向缠绕层牢固粘结在一起。

步骤八：安装在金属内衬下封头下端的液路出口处的推进剂管理装置的材料为不锈钢网+不锈钢骨架，通过螺纹连接的方式固定在金属内衬上。

步骤九：安装在金属内衬内衬本体内部的防晃装置的材料为铝合金5A06、2A12、2A14，通过螺纹连接的方式固定在金属内衬上。

步骤十：安装在金属内衬上、下封头两端的液路接嘴和气路接嘴的材料为铝合金5A06，液路接嘴与金属内衬的下封头通过焊接方式连接，气路接嘴沿金属内衬的中心轴线与上封头通过焊接方式连接。

实施例2

本实施方式与具体实施方式一的不同点在于以下三个步骤：

步骤一：制备金属内衬的材料为钛合金TA0、TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、 TA7、TA8、TA9、TA10和TC4，构成金属内衬的内衬本体、上封头和下封头之间采用真空电子束焊接进行装配。

步骤二：液路接嘴和气路接嘴的材料为钛合金TA0、TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、 TA6、TA7、TA8、TA9、TA10和TC4，液路接嘴与金属内衬的下封头通过采用真空电子束焊接连接，气路接嘴沿金属内衬的中心轴线与上封头通过采用真空电子束焊接连接。

步骤三：安装在金属内衬下封头下端的液路出口处的推进剂管理装置的材料为不锈钢网+钛合金TC4骨架，通过螺纹连接的方式固定在金属内衬上。

步骤四：安装在金属内衬内衬本体内部的防晃装置的材料为铝合金TC4，通过螺纹连接的方式固定在金属内衬上。

其他步骤与具体实施方式一相同。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (14)

1.一种空间大容积复合材料表面张力贮箱，其特征在于，包括内衬、第一缠绕层、第二缠绕层、裙座和环向缠绕层，所述第一缠绕层缠绕于内衬的外侧，所述第二缠绕层缠绕于第一缠绕层的上部和下部，所述裙座嵌套于第二缠绕层的外侧，所述环向缠绕层缠绕于裙座的外侧，所述内衬的内侧设有防晃装置。

2.如权利要求1所述的空间大容积复合材料表面张力贮箱，其特征在于，所述内衬包括内衬本体、上封头和下封头，所述上封头和下封头分别固设于内衬本体的顶部和底部。

3.如权利要求2所述的空间大容积复合材料表面张力贮箱，其特征在于，所述上封头的顶部设有气路接嘴，所述下封头的底部设有液路接嘴。

4.如权利要求2或3所述的空间大容积复合材料表面张力贮箱，其特征在于，所述下封头的表面设有推进剂管理装置。

5.如权利要求2所述的空间大容积复合材料表面张力贮箱，其特征在于，所述上封头和下封头的外型面均为椭球型面，所述椭球的短轴与长轴的长度之比为(0.6～0.7)：1。

6.如权利要求1所述的空间大容积复合材料表面张力贮箱，其特征在于，所述内衬的材料为铝合金或钛合金。

7.如权利要求3所述的空间大容积复合材料表面张力贮箱，其特征在于，所述气路接嘴和液路接嘴的材料与内衬的材料相同。

8.如权利要求1所述的空间大容积复合材料表面张力贮箱，其特征在于，所述防晃装置的材料为铝合金或钛合金。

9.如权利要求1所述的空间大容积复合材料表面张力贮箱，其特征在于，所述推进剂管理装置包括网、骨架和叶片。

10.如权利要求1所述的空间大容积复合材料表面张力贮箱，其特征在于，所述裙座的材料为铝合金或层状结构复合材料。

11.如权利要求1所述的空间大容积复合材料表面张力贮箱，其特征在于，所述第一缠绕层、第二缠绕层和环向缠绕层的材料均为碳纤维/环氧复合材料。

12.如权利要求11所述的空间大容积复合材料表面张力贮箱，其特征在于，所述第一缠绕层、第二缠绕层和环向缠绕层的制备方法均相同，具体为：

将环氧树脂、固化剂、促进剂和增塑剂混合成胶状液体，将碳纤维浸渍于所述胶状液体后，进行缠绕和固化。

13.如权利要求6、8或10所述的空间大容积复合材料表面张力贮箱，其特征在于，所述铝合金选自5A06铝合金、2A12铝合金、2A14铝合金、7A04铝合金、7A09铝合金和7055铝合金中的一种。

14.如权利要求6或8所述的空间大容积复合材料表面张力贮箱，其特征在于，所述钛合金选自TA0、TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TA7、TA8、TA9、TA10和TC4中的一种。