RU2631202C2

RU2631202C2 - Reinforced plastic high-pressure bottle of a spacecraft

Info

Publication number: RU2631202C2
Application number: RU2016101472A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Халиманович; Фёдор Константинович Синьковский; Леонид Михайлович Бородин; Геннадий Иванович Овечкин; Юрий Павлович Похабов; Анатолий Михайлович Лепихин
Original assignee: Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва"
Priority date: 2016-01-19
Filing date: 2016-01-19
Publication date: 2017-09-19
Also published as: RU2016101472A

Abstract

FIELD: machine engineering.

SUBSTANCE: reinforced plastic high-pressure bottle of a spacecraft contains a metal liner made of the upper and lower dished bottoms of the same thickness, which are tightly joined along the perimeter of their edges. The outer reinforcing shell runs along the entire outer surface of the liner with the elements, clamping the bottle to the spacecraft and made of one and the same tape in the process of winding the reinforcing shell. And the tapes form loops, evenly placed on the perimeter of the bottom edge joint. Neighbouring loops are connected in pairs at one point with the help of plates. All the plates are equally spaced from the bottle and each of them has a bore for threaded connection using a bolt, nut and washers. Each washer has an annular dished spherical surface at its contact point with the plate bore and at the attaching point of the bottle on the spacecraft, which is designed as a sleeve with an inner surface in the form of a truncated cone. The minor diameter of the cone is greater than the diameter of the bolt and has a mating surface for a washer spherical surface. The cone base is directed to the connection with the plate, the bore of which has a mating surface for the second washer spherical surface.

EFFECT: higher reliability of the device.

3 dwg

Description

Изобретение относится к общему машиностроению и может быть использовано на космических аппаратах (КА) для хранения и расходования газов под высоким давлением в сжатом, сжиженном или твердом их первоначальном состоянии.The invention relates to general engineering and can be used on spacecraft (SC) for storage and consumption of gases under high pressure in a compressed, liquefied or solid initial state.

Известна емкость из композиционного материала (патент РФ на изобретение №2237210), включающая в себя пластиковую оболочку, установленные в полюсных отверстиях оболочки фланцы, состоящие из опорного пера, на которое уложен пластик силовой оболочки, и узла соединения емкости с другими элементами конструкции (соплом или крышкой). Узел для соединения фланца с другими элементами конструкции вдвинут внутрь корпуса и соединен с внутренней поверхностью опорного пера фланца с помощью конической оболочки таким образом, что срединная поверхность конической оболочки пересекает поверхность опорного пера фланца по окружности, радиус которой больше радиуса полюсного отверстия пластиковой оболочки.A container made of composite material is known (RF patent for the invention No. 2237210), which includes a plastic shell, flanges installed in the pole holes of the shell, consisting of a support pen on which the plastic of the power shell is laid, and a container connection unit with other structural elements (nozzle or cover). The assembly for connecting the flange with other structural elements is pushed inside the housing and connected to the inner surface of the support pen of the flange using a conical shell so that the middle surface of the conical shell intersects the surface of the support pen of the flange in a circle whose radius is greater than the radius of the pole hole of the plastic shell.

Недостаток аналога заключается в повышенной массе, причиной которой является то, что из-за повышенной концентрации механических нагрузок на узел соединения фланца с другими элементами конструкции, он выполнен громоздким и не обеспечивает высокой надежности работы баллона.The disadvantage of the analogue is the increased mass, the reason for which is that due to the increased concentration of mechanical stresses on the connection unit of the flange with other structural elements, it is bulky and does not provide high reliability of the cylinder.

В качестве прототипа выбран «Металлопластиковый баллон высокого давления» (патент РФ №2554699), содержащий металлический лейнер, имеющий нижнее и верхнее днища, внешнюю упрочняющую армирующую оболочку из ленточного композиционного материала, пропитанного связующим. Лейнер выполнен в виде эллипсоида, образованного соединением двух днищ между собой. При этом стенки лейнера выполнены одинаковой толщины; внешняя упрочняющая армирующая оболочка выполнена по всей наружной поверхности лейнера с элементами крепления конструкции металлопластикового баллона, которые выполнены одной и той же лентой в процессе намотки армирующей оболочки лейнера, при этом ленты, образуя петли, равномерно размещенные снаружи по периметру соединения днищ, скрепляются попарно при помощи пластин в одной точке с равномерным натяжением при креплении баллона, при этом все пластины находятся на равноудаленном от баллона расстоянии и выполнены с отверстием для возможности крепления конструкции баллона резьбовым соединением.As a prototype, a “High pressure metal-plastic balloon" (RF patent No. 2554699) was selected, containing a metal liner having lower and upper bottoms, an external reinforcing reinforcing shell made of a tape composite material impregnated with a binder. The liner is made in the form of an ellipsoid formed by the connection of two bottoms with each other. The walls of the liner are made of the same thickness; an external reinforcing reinforcing shell is made over the entire outer surface of the liner with fasteners for the construction of the metal-plastic container, which are made with the same tape during winding of the reinforcing shell of the liner, while the ribbons, forming loops uniformly placed outside the perimeter of the bottoms, are fastened in pairs with plates at one point with uniform tension when attaching the container, while all the plates are equally spaced from the container and made with a hole for fixing the design of the cylinder threaded connection.

Недостаток прототипа заключается в недостаточно высокой надежности работы устройства. Причиной этому является то, что элементы для резьбового крепления конструкции металлопластикового баллона, выполненные с пластинами, имеющими отверстия, не обеспечивают достаточно равномерное натяжение ленты и ленточных петель, посредством которых баллон подвешивают по периметру соединения его днищ к местам крепления на КА. Регулировку равномерности натяжения лент осуществляют только изменением положения жесткой пластины. При незначительном отличии длины лент они будут натянуты неравномерно, вследствие этого в процессе воздействия ударно-вибрационных нагрузок на ленты при выведении КА на орбиту ракетой-носителем, механические нагрузки, не воспринимаемые ненатянутыми лентами, будут дополнительно усиливать нагрузки на натянутые ленты. Это снижает суммарную прочность всех лент, снижает надежность крепления баллона, ставит перед необходимостью дополнительно упрочнять ленты и лейнер, усложнять процесс изготовления и крепления баллона.The disadvantage of the prototype is not sufficiently high reliability of the device. The reason for this is that the elements for the threaded fastening of the metal-plastic container design, made with plates having holes, do not provide sufficiently uniform tension of the tape and tape loops, through which the balloon is suspended around the perimeter of the connection of its bottoms to the attachment points on the spacecraft. Adjusting the uniformity of the tension of the tapes is carried out only by changing the position of the rigid plate. With a slight difference in the length of the tapes, they will be stretched unevenly, as a result of which, during the impact of vibration-vibration loads on the tapes when the spacecraft is launched into orbit by the launch vehicle, mechanical loads not perceived by the unstretched tapes will additionally increase the load on the stretched tapes. This reduces the total strength of all tapes, reduces the reliability of fastening the cylinder, makes it necessary to further strengthen the tape and liner, to complicate the manufacturing process and fixing the cylinder.

Задачей изобретения является повышение надежности работы устройства.The objective of the invention is to increase the reliability of the device.

Поставленная задача решена за счет того, что металлопластиковый баллон высокого давления космического аппарата содержит металлический лейнер, выполненный из верхнего и нижнего выпуклых днищ одинаковой толщины, герметично соединенных по периметру их краев; внешнюю упрочняющую армирующую оболочку, выполненную по всей наружной поверхности лейнера с элементами крепления баллона к космическому аппарату, выполненными одной и той же лентой в процессе намотки армирующей оболочки, при этом ленты образуют петли, равномерно размещенные снаружи по периметру соединения краев днищ, соседние петли попарно скреплены при помощи пластин в одной точке, при этом все пластины находятся на равноудаленном от баллона расстоянии и каждая из них выполнена с отверстием под резьбовое соединение с применением болта, гайки и шайб; каждая шайба выполнена с кольцевой выпуклой сферической поверхностью в месте контакта ее с отверстием пластины и в месте крепления баллона на КА, которое выполнено в форме втулки с внутренней поверхностью в виде усеченного конуса, меньший диаметр которого больше диаметра болта и имеет ответную сопряженную поверхностью под сферическую поверхность шайбы, а основание конуса направлено в сторону соединения с пластиной, отверстие которой выполнено с ответной сопряженной поверхностью под сферическую поверхность второй шайбы.The problem is solved due to the fact that the metal-plastic high-pressure balloon of the spacecraft contains a metal liner made of upper and lower convex bottoms of the same thickness, hermetically connected around the perimeter of their edges; an external reinforcing reinforcing shell made over the entire outer surface of the liner with elements for attaching the balloon to the spacecraft made by the same tape during winding of the reinforcing shell, while the tapes form loops uniformly located outside the perimeter of the connection of the edges of the bottoms, adjacent loops are pairwise fastened with the help of plates at one point, while all plates are at a distance equidistant from the cylinder and each of them is made with a hole for a threaded connection using and, nuts and washers; each washer is made with an annular convex spherical surface at the place of its contact with the hole of the plate and at the place of attachment of the balloon to the spacecraft, which is made in the form of a sleeve with an inner surface in the form of a truncated cone, the smaller diameter of which is larger than the diameter of the bolt and has a mating counter surface under the spherical surface washers, and the base of the cone is directed towards the connection with the plate, the hole of which is made with a mating mating surface under the spherical surface of the second washer.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:The invention is illustrated by drawings, which depict:

На фиг. 1 - металлопластиковый баллон, вид спереди и сверху.In FIG. 1 - metal-plastic cylinder, front and top view.

На фиг. 2 - элемент крепления конструкции металлопластикового баллона.In FIG. 2 - fastening element for the construction of a metal-plastic container.

На фиг. 3 - металлопластиковый баллон в разрезе А-А по элементу крепления баллона к КА (вариант крепления на контейнере КА).In FIG. 3 - a metal-plastic cylinder in the context of AA along the element of attachment of the container to the spacecraft (mounting option on the container of the spacecraft).

Металлопластиковый баллон высокого давления космического аппарата содержит металлический лейнер 1, выполненный из верхнего и нижнего выпуклых днищ 2, 3 одинаковой толщины, герметично соединенных по периметру их краев; внешнюю упрочняющую армирующую оболочку 4, выполненную по всей наружной поверхности лейнера 1 с элементами крепления баллона, выполненными лентами 5 в процессе намотки армирующей оболочки 4. При этом ленты 5 образуют петли, равномерно размещенные снаружи днищ 2, 3; соседние петли попарно жестко закреплены на пластинах 6 по периметру соединения краев днищ в одной точке с равномерным натяжением при креплении баллона, при этом все пластины 6 находятся на равноудаленном от баллона расстоянии и каждая из них выполнена с отверстием 7 для возможности крепления баллона резьбовым соединением к местам крепления 8 баллона на контейнере космического аппарата, выполненным в виде втулок с отверстиями 14.The metal-plastic high-pressure balloon of the spacecraft contains a metal liner 1 made of upper and lower convex bottoms 2, 3 of the same thickness, tightly connected around the perimeter of their edges; an external reinforcing reinforcing sheath 4, made on the entire outer surface of the liner 1 with cylinder attachment elements made by tapes 5 during winding of the reinforcing sheath 4. The tapes 5 form loops uniformly placed outside the bottoms 2, 3; adjacent loops are pairwise rigidly fixed to the plates 6 along the perimeter of the connection of the edges of the bottoms at one point with uniform tension when attaching the container, while all the plates 6 are equally spaced from the cylinder and each of them is made with a hole 7 to allow the cylinder to be screwed to the seats mounting 8 balloons on the container of the spacecraft, made in the form of bushings with holes 14.

Каждое резьбовое соединение выполнено с применением болта 9, гайки 10 и шайб 11 и 12. Гайка 10 выполнена с элементом законтривания ее относительно болта 9, например, штифтом 13. Каждая шайба 11, 12 выполнена с кольцевой выпуклой сферической поверхностью в месте контакта ее соответственно с отверстием 7 пластины 6 и отверстием втулки 14. Отверстие 7 выполнено с ответной сопряженной поверхностью под сферическую поверхность шайбы 11. Место крепления 8 выполнено в форме втулки с внутренней поверхностью в виде усеченного конуса, меньший диаметр которого больше диаметра болта 9 и имеет ответную сопряженную поверхность под сферическую поверхность шайбы 12. Основание конуса направлено в сторону соединения с пластиной 6. Данная конструкция узла крепления дает возможность скольжения болта 9 относительно отверстия пластины 6 и вращения болта относительно внутренней конической поверхности втулки 14.Each threaded connection is made using a bolt 9, a nut 10 and washers 11 and 12. A nut 10 is made with an element for locking it relative to a bolt 9, for example, a pin 13. Each washer 11, 12 is made with an annular convex spherical surface at its contact point with the hole 7 of the plate 6 and the hole of the sleeve 14. The hole 7 is made with a mating mating surface under the spherical surface of the washer 11. The attachment point 8 is made in the form of a sleeve with an inner surface in the form of a truncated cone, the smaller diameter of which is larger is larger than the diameter of the bolt 9 and has a mating mating surface under the spherical surface of the washer 12. The base of the cone is directed towards the connection with the plate 6. This design of the mounting unit allows the bolt 9 to slide relative to the hole of the plate 6 and rotate the bolt relative to the inner conical surface of the sleeve 14.

На фиг. 3 место крепления 8 на контейнере показано, для примера, выполненным заодно с верхней частью контейнера КА и с наружным фланцем для соединения его с фланцем контейнера КА посредством болтового соединения.In FIG. 3, the attachment point 8 on the container is shown, for example, made integrally with the upper part of the container KA and with an outer flange for connecting it to the flange of the container KA by means of a bolt connection.

Для обеспечения требований технической документации по прочности конструкции металлопластикового баллона, намотка упрочняющей армирующей оболочки 4 выполнена послойно с количеством слоев, полностью перекрывающих поверхность лейнера 1.To ensure the requirements of the technical documentation on the structural strength of the metal-plastic container, the winding of the reinforcing reinforcing shell 4 is made in layers with the number of layers completely covering the surface of the liner 1.

В предложенном устройстве при установке баллона на КА, по сравнению с прототипом, обеспечивается повышенная надежность за счет более равномерного натяжения лент 5 элементов крепления 8 по всему периметру соединения днищ 2, 3 лейнера 1. Это достигнуто за счет выполнения узлов крепления с применением описанных выше конструктивных элементов. Такая конструкция элементов крепления 8 баллона обеспечила дополнительные степени свободы для равномерного натяжения лент 5 для всех элементов крепления 8 и тем самым более равномерного распределения механических нагрузок на баллон при выведении КА на орбиту, в результате чего стало возможным повысить надежность работы баллона и КА в целом.In the proposed device, when installing the cylinder on the spacecraft, in comparison with the prototype, increased reliability is ensured due to a more uniform tension of the tapes 5 fasteners 8 around the entire perimeter of the connection of the bottoms 2, 3 of the liner 1. This is achieved through the implementation of fasteners using the above-described structural elements. This design of the fastening elements of the balloon 8 provided additional degrees of freedom for uniform tension of the belts 5 for all the fastening elements 8 and thereby more uniform distribution of mechanical loads on the balloon when the spacecraft was put into orbit, as a result of which it became possible to increase the reliability of the balloon and the spacecraft as a whole.

Шайбы 11, 12 выполнены из материалов, например, из бронзы, или фторопласта, которые образуют пары со сниженными коэффициентами трения с материалами, из которых выполнены соответственно пластины 6 и втулки 14, например, из алюминия. Это позволило снизить трение при работе пар полусферических шайб и тем самым обеспечить более равномерные натяжения и нагрузки на ленты 5, дополнительно повысить надежность работы устройства и КА в целом.Washers 11, 12 are made of materials, for example, bronze, or fluoroplastic, which form pairs with reduced friction coefficients with materials of which plates 6 and bushings 14, for example, of aluminum, are made, respectively. This made it possible to reduce friction during operation of pairs of hemispherical washers and thereby provide more uniform tension and load on the belts 5, and further improve the reliability of the device and the spacecraft as a whole.

Технический эффект более равномерного натяжения лент 5 обеспечивается работой пар полусферических шайб каждого элемента крепления 8 не только при установке баллона на КА, но и во время выведения КА на орбиту ракетой-носителем. При этом за счет работы одновременно всех пар полусферических шайб осуществляется выравнивание как общих, так и локальных ударных и вибрационных нагрузок по всем лентам 5, что обеспечивает дополнительное повышение надежности работы баллона.The technical effect of a more uniform tension of the tapes 5 is ensured by the operation of pairs of hemispherical washers of each fastener 8 not only when the balloon is mounted on the spacecraft, but also during the launch of the spacecraft into orbit by the launch vehicle. Moreover, due to the work of all pairs of hemispherical washers at the same time, equalization of both general and local shock and vibration loads on all belts 5 is carried out, which provides an additional increase in the reliability of the cylinder.

В настоящее время устройство находится на стадии наземной отработки с перспективой его применения на космических аппаратах последних разработок.Currently, the device is at the stage of ground testing with the prospect of its use on spacecraft of the latest developments.

Claims

A metal-plastic high-pressure balloon of a spacecraft containing a metal liner made of upper and lower convex bottoms of the same thickness, hermetically connected around the perimeter of their edges; an external reinforcing reinforcing shell made over the entire outer surface of the liner with elements for attaching the balloon to the spacecraft made by the same tape during winding of the reinforcing shell, while the tapes form loops uniformly located outside the perimeter of the connection of the edges of the bottoms, adjacent loops are pairwise fastened with the help of plates at one point, while all plates are at a distance equidistant from the cylinder and each of them is made with a hole for a threaded connection using a, nuts and washers, characterized in that each washer is made with an annular convex spherical surface at the place of its contact with the hole of the plate and at the place of attachment of the balloon to the spacecraft, which is made in the form of a sleeve with an inner surface in the form of a truncated cone, the smaller diameter of which is larger the diameter of the bolt and has a mating mating surface under the spherical surface of the washer, and the base of the cone is directed toward the connection with the plate, the hole of which is made with the mating mating surface under the spherical surface The surface of the second washer.