CN107939552A - 一种可重复使用的智能液体推进剂贮箱装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可重复使用的智能液体推进剂贮箱装置，采用了一种变形可恢复、可重复利用的智能形状记忆合金膜片，克服航天推进剂贮箱内置金属膜片翻转变形后无法恢复且无法重复利用的缺点。该装置由施压贮箱壳体、密封圈、形状记忆合金膜片和排液贮箱壳体组成；形状记忆合金膜片在壳体工作过程中，隔膜从上半球对称稳定的翻转到下半球将液体排出。在液体排出后，对变形后的形状记忆合金膜片进行升温，膜片恢复至初始状态，此时，贮箱装置可进行第二次使用。该装置具有连接简单、可靠性高、可重复利用等特点，由此构成的变形可恢复装置可作为液体推进设备被应用在航空航天，船舶和核电等领域。

Description

一种可重复使用的智能液体推进剂贮箱装置
技术领域
本发明涉及一种为发动机提供燃料和氧化剂的推进剂贮箱装置，使推进剂贮箱结构在将推进剂挤压出贮箱后，内置的膜片恢复至初始形状，因而可重复使用。本发明属于智能结构领域，尤其涉及一种自动恢复且可重复利用装置。
背景技术
形状记忆合金在某一温度下受外力而发生变形，当外力去除后，仍保持其变形后的形状，但当温度上升到特定温度后，合金会自动恢复到变形前原有的形状，这种对以前的形状保持记忆的效应称为形状记忆效应。推进剂膜片贮箱是空间飞行器的重要部件，其中，内置金属膜片在空气压力作用下发生翻转变形，将液体推进剂逐渐排出，以此实现推进剂的供应。膜片贮箱在失重状态下几乎不受加速度的影响，因此适于在变轨频繁和机动性强的航空航天领域的应用。由于该结构可靠性高，工作原理简单，因此也被应用在核电，化工，航天等领域。在部分人们无法靠近的区域，如辐射区域及太空区域，也需要这种自动排放的装置将危险的化学液体排出。然而，常规的金属膜片一般由金属铝或钛制作，发生翻转变形后并不能恢复至初始的状态，因此无法重复使用。这种一次性的使用既带来严重的浪费，也严重制约了推进剂膜片贮箱在工业上的使用。在本发明中，推进剂贮箱中的内置金属膜片采用形状记忆合金材料制作，形状记忆合金膜片可采用延展性较好的钛镍基形状记忆合金。该新型膜片具有形状记忆功能，可在推进剂贮箱以及类似结构中应用。在推进剂形状记忆合金膜片贮箱结构中，形状记忆合金膜片能够有效地发生翻转变形将液体推进剂排出。利用形状记忆效应的优势，新型形状记忆合金膜片可在贮箱内自动恢复至初始状态，从而使其在贮箱内反复使用。为未来飞行器贮箱及其类似结构件的智能化提供技术储备。
发明内容
本发明的目的是提出了一种变形可恢复、可重复利用的智能形状记忆合金膜片，克服航天推进剂贮箱内置金属膜片翻转变形后无法恢复且无法重复利用的缺点，由此构成的变形可恢复装置可作为液体推进设备被应用在航空航天，船舶和核电等领域。
作为工业设备重要的组成部分，智能推进剂贮箱设备的工作原理为：外部的增压气体通过贮箱的进气口进入贮箱内部，对形状记忆合金膜片进行挤压以至于形状记忆合金膜片产生翻转变形将推进剂液体从排液口排出。在这种智能推进剂贮箱设备中，形状记忆合金膜片结构可采用镍钛合金等金属材料。在内置的形状记忆合金膜片在发生翻转变形后，通过在外部升温的方式膜片恢复至原来的形状，以至于推进剂贮箱设备可再次使用。这种智能设备节约了大量的工业成本也拓展了推进剂设备的应用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种可重复使用的液体推进贮箱装置，包括：施压贮箱壳体1、橡胶密封圈2、形状记忆合金膜片3和排液贮箱壳体4。
图2.1-2.2为液体推进贮箱装置总体结构及局部剖视图。施压贮箱壳体1设置在形状记忆合金膜片3的顶部，排液贮箱壳体4设置在施压贮箱壳体1的底部，形状记忆合金膜片3与施压贮箱壳体1以及排液贮箱壳体4通过沿周向对称分布的八个螺栓连接在一起，并且在形状记忆合金膜片3和施压贮箱壳体1以及排液贮箱壳体4均采用橡胶密封圈2进行密封。
施压贮箱壳体1与形状记忆合金膜片3之间形成空气压缩空间，施压贮箱壳体1的上方设有进气口，通过进气口增加空气压缩空间的气体压力进而控制形状记忆合金膜片3的运动。随着进入空气压缩空间的气压增大，形状记忆合金膜片3被逐渐压缩直至变形，形状记忆合金膜片3与排液贮箱壳体4之间的空间也随之被压缩，排液贮箱壳体4中的推进剂液体从排液贮箱壳体4底部的排液口排出，形状记忆合金膜片3变形完后不再发生变化。对形状记忆合金膜片3进行升温，由于形状记忆合金的记忆性能，形状记忆合金膜片3恢复至初始的状态，能够进行再次使用。
形状记忆合金膜片3的翻转速度和程度通过温度进行调节。
形状记忆合金膜片3分为圆弧段5、预弯边6和贮箱固定和密封部分7。预弯边6为圆弧结构，圆弧段5和预弯边6之间以切线过渡连接；贮箱固定和密封部分7设置在预弯边6的端部。
与现有技术相比较，本发明与具有如下效果：本发明属于智能材料的应用，将机械设计与智能材料结合起来。减少以往金属膜片的一次性使用问题，节省了生产的成本和无法恢复到初始状态的特点。
附图说明
图1为形状记忆合金的形状记忆过程图。
图2.1为液体推进贮箱装置总体结构图。
图2.2为液体推进贮箱装置的A部放大结构图。
图3为施压贮箱壳体结构图。
图4为橡胶密封圈结构图。
图5为形状记忆合金膜片结构图。
图6为形状记忆合金膜片剖面图。
图7为排液贮箱壳体结构图。
具体实施方式
如图1是形状记忆合金的形状记忆过程。形状记忆合金是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，并恢复其变形前原始形状的合金材料，即拥有“记忆"效应的合金。在常温下对形状记忆合金进行加载，使其变形成为一个临时的形状。加载被卸去后，临时的形状依然被保持。对形状记忆合金进行升温，合金恢复至初始形状。利用形状记忆合金的这种特质，推进剂贮箱内置的膜片由形状记忆合金制作。
图2.1-2.2是液体推进剂贮箱装置总体结构及局部放大图，施压贮箱壳体1、橡胶密封圈2、形状记忆合金膜片3和排液贮箱壳体4。图3为施压贮箱壳体1的结构图，其设有进气口，通过进气口对腔内进行充气，使腔内压强增大。图4为橡胶密封圈2的结构图，起到密封作用。图5为形状记忆合金膜片3的初始形状，在形状记忆合金膜片3的边缘设计一圈与贮箱固定和密封的部分，在该部分上分布着八个均匀分布的螺孔，通过螺栓联结，将形状记忆合金膜片3固定和密封在施压贮箱壳体1和排液贮箱壳体4之间。
图6为形状记忆合金膜片3的剖面图，形状记忆合金膜片3分为圆弧段5、预弯边6和贮箱固定和密封部分7。预弯边6为圆弧结构，圆弧段5和预弯边6之间以切线过渡连接；贮箱固定和密封部分7设置在预弯边6的端部。
图7为排液贮箱壳体结构图，排液贮箱壳体4的底部设有排液口。在使用前，形状记忆合金膜片3和排液贮箱壳体4之间的腔内存储有液体推进剂。在施压贮箱壳体1、橡胶密封圈2、形状记忆合金膜片3和排液贮箱壳体4通过八个平均分布的螺栓连接在一起。采用橡胶密封圈2密封施压贮箱壳体1和形状记忆合金膜片3之间的空隙，是为防止在施加空气压强的过程中的漏气造成气体压力不够，而密封排液贮箱壳体4和形状记忆合金膜片3之间的空隙是为了防止泄漏液体。形状记忆合金膜片3的翻转变形采用增压式。整个推进剂贮箱中形状记忆合金膜片3的翻转过程如下。通过施压贮箱壳体1的进气口增加气体，压力控制形状记忆合金膜片3的运动，在开始充入气体后，贮箱内气体压力开始增大，在形状记忆合金膜片3的预弯边6处刚度最小，因此首先在预弯边6处开始变形。随着气体压力逐渐增大,形状记忆合金膜片3的预弯边6逐渐变直，形状记忆合金膜片3开始从边缘到中心波浪形翻转，直到把壳体里的液体推进剂完全排出。此时，翻转变形后形状记忆合金膜片3紧贴在施排液贮箱壳体4的内表面，并且不再发生变形。当需要对推进剂贮箱结构进行二次使用时，将进气口打开，使施压贮箱壳体1和形状记忆合金膜片3内的压强恢复正常的大气压强。然后对形状记忆合金膜片3进行升温，形状记忆合金膜片3再次发生翻转并恢复至初始的状态。再次翻转后的推进剂贮箱设备可以进行再次使用。
本发明突出的特点为：1、采用形状记忆合金膜片3代替传统的铝或钛金属膜片，形状记忆合金膜片3发生翻转并恢复至初始的状态，从而使膜片实现再次利用，减少成本。2、在形状记忆合金膜片3与施压贮箱壳体1以及排液贮箱壳体4之间采用了螺栓联结的方式。3、设计了橡胶密封圈2，实现对推进剂贮箱内部气体和液体推进剂的密封。

Claims (4)

1.一种可重复使用的液体推进剂贮箱装置，其特征在于：该装置包括施压贮箱壳体(1)、橡胶密封圈(2)、形状记忆合金膜片(3)和排液贮箱壳体(4)；
施压贮箱壳体(1)设置在形状记忆合金膜片(3)的顶部，排液贮箱壳体(4)设置在施压贮箱壳体(1)的底部，形状记忆合金膜片(3)与施压贮箱壳体(1)以及排液贮箱壳体(4)通过沿周向对称分布的八个螺栓连接在一起，并且在形状记忆合金膜片(3)和施压贮箱壳体(1)以及排液贮箱壳体(4)均采用橡胶密封圈(2)进行密封。
2.根据权利要求1所述的一种可重复使用的液体推进贮箱装置，其特征在于：施压贮箱壳体(1)与形状记忆合金膜片(3)之间形成空气压缩空间，施压贮箱壳体(1)的上方设有进气口，通过进气口增加空气压缩空间的气体压力进而控制形状记忆合金膜片(3)的运动；随着进入空气压缩空间的气压增大，形状记忆合金膜片(3)被逐渐压缩直至变形，形状记忆合金膜片(3)与排液贮箱壳体(4)之间的空间也随之被压缩，排液贮箱壳体(4)中的推进剂液体从排液贮箱壳体(4)底部的排液口排出，形状记忆合金膜片(3)变形完后不再发生变化；对形状记忆合金膜片(3)进行升温，由于形状记忆合金的记忆性能，形状记忆合金膜片(3)恢复至初始的状态，能够进行再次使用。
3.根据权利要求1所述的一种可重复使用的液体推进贮箱装置，其特征在于：形状记忆合金膜片(3)的翻转速度和程度通过温度进行调节。
4.根据权利要求1所述的一种可重复使用的液体推进贮箱装置，其特征在于：形状记忆合金膜片(3)分为圆弧段(5)、预弯边(6)和贮箱固定和密封部分(7)；预弯边(6)为圆弧结构，圆弧段(5)和预弯边(6)之间以切线过渡连接；贮箱固定和密封部分(7)设置在预弯边(6)的端部。
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