CN113414556A - 一种用于卫星压力容器的金属复合气口及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于卫星压力容器的金属复合气口及其制造方法，涉及压力容器技术领域。该用于卫星压力容器的金属复合气口，包括：钛合金气嘴；铝合金连接环，一端与所述钛合金气嘴焊接，另一端用于与所述卫星压力容器连接，从而使所述钛合金气嘴与所述卫星压力容器内的腔体连通。钛合金气嘴用于与卫星流体管理系统的钛合金管路焊接，而铝合金连接环用于与铝合金材质的卫星压力容器连接，由此实现了卫星压力容器与卫星流体管理系统的过渡连接。通过钛铝金属复合气口替代了现有技术中密封圈螺栓紧固连接结构，解决了铝合金容器存储低温介质时密封圈渗漏、存储高压气体时密封性能差、在严酷动力学环境下气口结构容易出现故障等问题。
Description
技术领域
本发明涉及压力容器技术领域，具体涉及一种用于卫星压力容器的金属复合气口及其制造方法。
背景技术
卫星、飞船及其分系统需要各种压力容器以贮存液体和气体，如卫星飞船推进系统用气瓶和表面张力推进剂贮箱，空间站推进系统、流体管理系统、环境控制与生命保障系统、科学试验和商业试验系统用各类型压力容器。
目前卫星用表面张力贮箱、金属隔膜贮箱、复合材料气瓶等容器壳体材料一般选择TC4、TA1、TA3等钛合金，由于材料比强度高，容器可以获得较高的性能因子，存储介质一般为甲基肼、四氧化二氮等化学推进用常温推进剂、氙气、氪气等电推进用高压气体等介质。
根据载人登月任务、深空探测任务等航天发展需求，推进剂携带量大大增加，载人登月飞行器、着陆器、上升器需采用大容量、大直径、高径厚比化学推进剂贮箱，深空探测飞行器也需采用大容量、大直径、高径厚比低温液态氙气、氪气推进剂贮箱。钛合金容器采用热冲压、机加等常规加工方式，由于压力机、车床等设备尺寸限制，无法加工大尺寸容器壳体；同时，旋压大尺寸铝合金壳体的加工效率、尺寸精度、结构效率远远高于其他金属材料壳体，因此载人登月任务、深空探测任务贮箱壳体材料优选铝合金。而流体管理系统管路一般均采用钛合金，贮箱气口需要与钛合金管路焊接连接，铝合金和钛合金焊接极易产生金属化合物，用常规氩弧焊等热熔焊无法获取质量合格焊缝，因此常采用密封圈螺栓紧固连接结构，然而这种连接方式会造成铝合金容器存储低温介质时密封圈渗漏、存储高压气体时密封性能差、在严酷动力学环境下气口结构容易出现故障等问题。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中卫星压力容器与流体管理系统管路连接结构不稳定的缺陷，从而提供一种用于卫星压力容器的金属复合气口及其制造方法。
第一方面，本发明提供一种用于卫星压力容器的金属复合气口，包括：
钛合金气嘴；
铝合金连接环，一端与所述钛合金气嘴焊接，另一端用于与所述卫星压力容器连接，从而使所述钛合金气嘴与所述卫星压力容器内的腔体连通。
进一步地，所述铝合金连接环的材质为5A06铝合金或3A21铝合金。
进一步地，所述铝合金连接环的厚度为5～8mm，直径为40～43mm。
进一步地，所述钛合金气嘴的材质为TA2钛合金或TA3钛合金。
进一步地，所述钛合金的抗拉强度≥440MPa、屈服强度≥320MPa。
进一步地，所述钛合金气嘴是由钛合金棒材加工得到的，所述钛合金棒材的直径为12～15mm。
进一步地，所述钛合金气嘴采用TA2钛合金，所述铝合金连接环采用5A06铝合金，所述钛合金气嘴与铝合金连接环之间通过过渡层连接，所述过渡层的材质为3A21铝合金。
进一步地，所述过渡层的厚度为1～1.5mm。
进一步地，所述的用于卫星压力容器的金属复合气口，还包括：气口底盘，一端与所述铝合金连接环焊接，另一端用于与所述卫星压力容器的封头焊接。
进一步地，所述气口底盘的材质为5A06铝合金、6061铝合金、2A14铝合金、2219铝合金或2195铝合金。
进一步地，所述气口底盘的直径为330～333mm。
第二方面，本发明提供一种所述的用于卫星压力容器的金属复合气口的制造方法，包括：
将钛合金棒材加工成钛合金气嘴，将铝合金管加工成铝合金连接环，将加工好的钛合金气嘴和铝合金连接环焊接；或者
将用于形成钛合金气嘴的钛合金棒材和用于形成铝合金连接环的铝合金管焊接，将所述钛合金棒材加工成钛合金气嘴，将所述铝合金管加工成铝合金连接环。
进一步地，所述的用于卫星压力容器的金属复合气口的制造方法，包括：
(1)采用精密车加工方式和/或打磨方式将钛合金棒材加工成钛合金气嘴，将铝合金管加工成铝合金连接环；
(2)将加工好的钛合金气嘴、铝合金连接环以及爆炸焊模具装配；
(3)采用爆炸焊方式将钛合金气嘴和铝合金连接环焊接。
进一步地，所述制造方法还包括：采用电子束焊或氩弧焊的方式将铝合金连接环与气口底盘焊接。
第三方面，本发明提供一种卫星压力容器，包括所述的用于卫星压力容器的金属复合气口，或者所述的制造方法得到的用于卫星压力容器的金属复合气口。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的用于卫星压力容器的金属复合气口，包括钛合金气嘴和铝合金连接环，钛合金气嘴用于与卫星流体管理系统的钛合金管路焊接，而铝合金连接环用于与铝合金材质的卫星压力容器连接，由此实现了卫星压力容器与卫星流体管理系统的过渡连接，例如，可以实现铝合金内衬复合材料贮箱、全金属铝合金贮箱、铝合金隔膜贮箱、铝合金内衬复合材料气瓶等铝合金壳体与流体管理系统管路的过渡焊接。通过钛铝金属复合气口替代了现有技术中密封圈螺栓紧固连接结构，解决了铝合金容器存储低温介质时密封圈渗漏、存储高压气体时密封性能差、在严酷动力学环境下气口结构容易出现故障等问题，具有结构简单、强度高、气密性好、耐动力学环境性能好、可靠性高、安全性高等特点。为航天领域载人登月任务、深空探测任务等项目顺利实施奠定基础。
2.本发明提供的用于卫星压力容器的金属复合气口还可应用于无缝铝合金内衬复合材料气瓶，采用钛铝金属复合气口连接无缝铝合金内衬，从而作为气瓶气口，由于钛合金相比铝合金具有更高抗拉强度、屈服强度、硬度、弹性模量等力学性能参数，使得无缝铝合金气瓶气口在装配、更换、维修、拆卸等过程中，气口密封面、气口螺纹等结构更加抗磨、抗冲击、经久耐用，增加了无缝铝合金复合气瓶的使用寿命，而且由于钛合金气口结构强度、硬度更高，可以将原始的密封圈螺栓紧固连接结构更改为金属密封结构，从而提高了气口密封性能、可靠性和安全性，尤其适用于对气瓶指标要求严格的航天、航空、导弹等军工领域，以及对气体渗漏要求较高的贮氢气瓶领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的用于卫星压力容器的金属复合气口的结构示意图。
附图标记说明：
1-钛合金气嘴；2-铝合金连接环；3-气口底盘。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
除另有说明外，本发明所述的直径均表示外径。
如图1所示，本发明提供一种用于卫星压力容器的金属复合气口，包括：
钛合金气嘴1；
铝合金连接环2，一端与钛合金气嘴1焊接，另一端用于与卫星压力容器连接，从而使钛合金气嘴1与卫星压力容器内的腔体连通。
钛合金气嘴1用于与卫星流体管理系统的钛合金管路焊接，而铝合金连接环2用于与铝合金材质的卫星压力容器连接，由此实现了卫星压力容器与卫星流体管理系统的过渡连接。
通过钛铝金属复合气口替代了现有技术中密封圈螺栓紧固连接结构，解决了铝合金容器存储低温介质时密封圈渗漏、存储高压气体时密封性能差、在严酷动力学环境下气口结构容易出现故障等问题，具有结构简单、强度高、气密性好、耐动力学环境性能好、可靠性高、安全性高等特点。为航天领域载人登月任务、深空探测任务等项目顺利实施奠定基础。
本发明对金属复合气口与卫星压力容器之间的连接方式不作出限制。作为本发明的一种可选实施方式，用于卫星压力容器的金属复合气口还包括：气口底盘3，一端与铝合金连接环2焊接，另一端用于与卫星压力容器的封头焊接。气口底盘3即作为金属复合气口与卫星压力容器之间的过渡连接结构。
作为本发明的可选实施方式，铝合金连接环2的材质为5A06铝合金或3A21铝合金。钛合金气嘴1的材质为TA2钛合金或TA3钛合金。气口底盘3的材质为5A06铝合金、6061铝合金、2A14铝合金、2219铝合金或2195铝合金。其中，5A06铝合金抗拉强度≥315MPa、屈服强度≥155MPa、断裂延伸率≥16％。TA2钛合金抗拉强度≥440MPa、屈服强度≥320MPa、断裂延伸率≥20％，断面收缩率≥30％。
优选的，钛合金气嘴1采用TA2钛合金，铝合金连接环2采用5A06铝合金，气口底盘3采用5A06铝合金。钛合金气嘴1与铝合金连接环2之间通过过渡层连接，过渡层的材质为3A21铝合金。3A21铝合金抗拉强度≥120MP。
作为本发明的可选实施方式，钛合金气嘴1是由钛合金棒材加工得到的，钛合金棒材的直径12～15mm；过渡层厚度1～1.5mm；铝合金连接环2的厚度5～8mm；铝合金连接环2的直径40～43mm，气口底盘3的直径330～333mm。
本发明提供用于卫星压力容器的金属复合气口的制造方法，包括：
将钛合金棒材加工成钛合金气嘴1，将铝合金管加工成铝合金连接环2，将加工好的钛合金气嘴1和铝合金连接环2焊接；或者
将用于形成钛合金气嘴1的钛合金棒材和用于形成铝合金连接环2的铝合金管焊接，将钛合金棒材加工成钛合金气嘴1，将铝合金管加工成铝合金连接环2。
作为本发明的可选实施方式，用于卫星压力容器的金属复合气口的制造方法，包括：
(1)采用精密车加工方式和/或打磨方式将钛合金棒材加工成钛合金气嘴1，将铝合金管加工成铝合金连接环2；
(2)将加工好的钛合金气嘴1、铝合金连接环2、以及爆炸焊模具装配(需要过渡层的，需将过渡层一起装配)；
(3)采用爆炸焊毛坯车将钛合金气嘴1和铝合金连接环2焊接；
(4)采用精密车加工的方式将钛合金棒材加工成气口底盘3，采用电子束焊或氩弧焊的方式将铝合金连接环2与气口底盘3焊接，再车加工到零件尺寸，得到该用于卫星压力容器的金属复合气口。
第三方面，本发明提供一种卫星压力容器，包括上述用于卫星压力容器的金属复合气口，或者上述制造方法得到的用于卫星压力容器的金属复合气口。
本发明提供的金属复合气口可以用于如下卫星压力容器：铝合金内衬复合材料贮箱、全金属铝合金贮箱、铝合金隔膜贮箱、铝合金内衬复合材料气瓶等。
作为本发明的可选实施方式，卫星压力容器封头采用5A06板料通过无模立式旋压封头曲面、有模封头收口和带直段立式旋压、接头焊口和筒段焊口精整加工成型；采用搅拌摩擦焊方式将上述用于卫星压力容器的金属复合气口与卫星压力容器封头焊接，再完成铝合金内衬加工、碳纤维缠绕、贮箱性能测试与试验。
作为本发明的可选实施方式，在卫星总装时，采用氩弧焊的方式将卫星压力容器上复合金属气口的钛合金气嘴与卫星推进分系统流体管理系统的钛合金管路焊接，从而实现了带有本发明复合金属气口的卫星压力容器的航天应用。
以下将以复合气瓶为例，给出本发明提供的金属复合气口的一种具体应用方式。
一种带有金属复合气口的复合气瓶，包括：
铝合金内胆；
复合材料层，缠绕于铝合金内胆的表面；
金属复合气口，包括钛合金气嘴、铝合金连接环和气口底盘，铝合金连接环一端与钛合金气嘴焊接，另一端与气口底盘焊接，气口底盘不与铝合金连接环连接的一端与铝合金内胆的瓶口端封头焊接，钛合金气嘴与铝合金内胆的腔体连通。
作为本发明的可选实施方式，铝合金内胆的形状为圆柱形、球形、近球形、椭球形、环形、锥形或异形。铝合金内胆包括依次连接的瓶口端封头、筒体和密封端封头。对于小型圆柱形铝合金内胆可以通过整体旋压工艺制造，对于大型圆柱形铝合金内衬壳体可以采用封头、筒体分别旋压后焊接制造。当铝合金内胆的形状为圆柱形，瓶口端封头和密封端封头为等张力封头、椭球形封头、半球形封头、蝶形封头、三点圆形封头或平衡型封头。铝合金内胆的材料选用6061铝合金、5086铝合金、5A06铝合金、2A12铝合金、2A14铝合金、2219铝合金或2195铝合金。
作为本发明的可选实施方式，复合材料层包括：缠绕于铝合金内胆表面的承压复合层；还包括或不包括：缠绕于承压复合层表面的防护复合层，其中，承压复合层的纤维材料选用T300碳纤维、T700碳纤维、T800碳纤维、T1000碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维中的至少一种；防护复合层的纤维材料选用芳纶纤维、玻璃纤维中的至少一种。
作为本发明的可选实施方式，以铝合金内胆为芯模，采用纤维湿法缠绕工艺形成复合材料层，可以在铝合金内胆的外表面环向和螺旋交替缠绕，缠绕线型需满足复合材料层的结构强度要求，纤维张力控制采用逐层递减工艺。为实现纤维材料的缠绕固定，可以加入环氧树脂材料。
铝合金内胆用于纤维缠绕芯模、密封工作介质；铝合金内胆外部缠绕复合材料层，功能是承担主要的高强内压载荷。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种用于卫星压力容器的金属复合气口，其特征在于，包括：
钛合金气嘴；
铝合金连接环，一端与所述钛合金气嘴焊接，另一端用于与所述卫星压力容器连接，从而使所述钛合金气嘴与所述卫星压力容器内的腔体连通。
2.根据权利要求1所述的用于卫星压力容器的金属复合气口，其特征在于，所述铝合金连接环的材质为5A06铝合金或3A21铝合金。
3.根据权利要求1所述的用于卫星压力容器的金属复合气口，其特征在于，所述铝合金连接环的厚度为5～8mm，直径为40～43mm。
4.根据权利要求1所述的用于卫星压力容器的金属复合气口，其特征在于，所述钛合金气嘴的材质为TA2钛合金或TA3钛合金。
5.根据权利要求4所述的用于卫星压力容器的金属复合气口，其特征在于，所述钛合金的抗拉强度≥440MPa、屈服强度≥320MPa。
6.根据权利要求1所述的用于卫星压力容器的金属复合气口，其特征在于，还包括：气口底盘，一端与所述铝合金连接环焊接，另一端用于与所述卫星压力容器的封头焊接。
7.根据权利要求6所述的用于卫星压力容器的金属复合气口，其特征在于，所述气口底盘的材质为5A06铝合金、6061铝合金、2A14铝合金、2219铝合金或2195铝合金。
8.一种权利要求1～7任一项所述的用于卫星压力容器的金属复合气口的制造方法，其特征在于，包括：
将钛合金棒材加工成钛合金气嘴，将铝合金管加工成铝合金连接环，将加工好的钛合金气嘴和铝合金连接环焊接；或者
将用于形成钛合金气嘴的钛合金棒材和用于形成铝合金连接环的铝合金管焊接，将所述钛合金棒材加工成钛合金气嘴，将所述铝合金管加工成铝合金连接环。
9.根据权利要求8所述的用于卫星压力容器的金属复合气口的制造方法，其特征在于，包括：
(1)采用精密车加工方式和/或打磨方式将钛合金棒材加工成钛合金气嘴，将铝合金管加工成铝合金连接环；
(2)将加工好的钛合金气嘴、铝合金连接环以及爆炸焊模具装配；
(3)采用爆炸焊方式将钛合金气嘴和铝合金连接环焊接，
优选的，所述制造方法还包括：采用电子束焊或氩弧焊的方式将铝合金连接环与气口底盘焊接。
10.一种卫星压力容器，包括权利要求1～7任一项所述的用于卫星压力容器的金属复合气口，或者权利要求8或9所述的制造方法得到的用于卫星压力容器的金属复合气口。
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| CN202110842312.7A CN113414556A (zh) | 2021-07-23 | 2021-07-23 | 一种用于卫星压力容器的金属复合气口及其制造方法 |
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| CN115289385A (zh) * | 2022-08-18 | 2022-11-04 | 兰州空间技术物理研究所 | 一种卫星用高长径比复合材料高压气瓶安装结构 |
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- 2021-07-23 CN CN202110842312.7A patent/CN113414556A/zh active Pending
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