CN107310821B - 一种推进剂贮箱裙座安装结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种推进剂贮箱裙座安装结构及其制造方法，它包括金属内衬(1)、缠绕在金属内衬(1)外面的第一复合材料层(2)、缠绕在第一复合材料层(2)外面的第二复合材料层(3)、涂在第二复合材料层(3)外面的环氧树脂胶(4)、与环氧树脂胶(4)胶接的贮箱裙座(5)、缠绕在贮箱裙座(5)外面的第三复合材料层(6)。贮箱通过裙座安装在总装结构上，贮箱裙座(5)采用铝合金或复合材料制成，通过胶接的方式和缠绕的方式固定在贮箱壳体上，承受贮箱轴向、横向过载等力学环境。本发明解决了现有大容积复合材料缠绕壳体贮箱安装结构设计、制造困难、抗力学环境差等问题，提高了贮箱整体结构效率和力学环境适应性。

Description

一种推进剂贮箱裙座安装结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及航天技术领域，具体地，涉及本发明涉及一种推进剂贮箱裙座安装结构及其制造方法。

背景技术

随着航天技术的发展，推进***对推进剂贮箱的轻质化设计要求越来越高。与传统的金属材料贮箱相比，复合材料缠绕贮箱具有重量轻、可靠性高、失效模式安全等诸多优点，国内研制的500多升复合材料缠绕式贮箱已经成功应用于推进***，但是由于受壳体缠绕结构所限，500多升复合材料缠绕式贮箱的安装方式为下端法兰和上端拉杆安装方式，该种安装方式对总装结构的力学环境适应性要求较高，且限制了应用范围。

力学环境适应性较好且工艺简单的贮箱安装方式为赤道法兰结构，由于该结构赤道法兰需要与贮箱金属壳体一体成型，这限制碳纤维缠绕工艺，且由于贮箱工作时是满载的，轴向和横向过载较大，对贮箱的安装结构的力学环境适应性要求非常高，多次力学环境试验发现，大容积贮箱的安装结构是力学环境的薄弱点，也是推进剂贮箱常见失效模式之一。是影响贮箱可靠性的重要环节。

近年来，随着复合材料技术和缠绕工艺技术的发展，实现了复合材料贮箱壳体与安装裙座的一体化制造技术，即在已经缠绕好的贮箱壳体外面复合上整体成型的金属裙座或复合材料裙座，但目前现有技术中的这种安装结构及方法存在安装面结构强度低、承载能力差的缺点，不能适应结构重量大、力学环境恶劣的安装要求。同时，该项技术应用仅限于固体火箭的贮箱结构(环境载荷相对较小)，未见在上面级液体贮箱上的应用。

发明内容

针对复合材料缠绕贮箱安装方式单一，力学环境适应性差的难题，本发明的目的是提供一种推进剂贮箱裙座安装结构及其制造方法。

第一方面，根据本发明提供的一种推进剂贮箱裙座安装结构，包括由内至外依次设置的金属内衬、第一复合材料层、第二复合材料层和贮箱裙座，所述第二复合材料层与贮箱裙座之间通过环氧树脂胶进行连接，在所述第二复合材料层和贮箱裙座的外侧设置有第三复合材料层。

优选地，所述第一复合材料层缠绕设置在金属内衬外侧，所述第二复合材料层缠绕设置在第一复合材料层外侧，所述第三复合材料层缠绕设置在第二复合材料层、贮箱裙座的外侧。

优选地，所述金属内衬的材质为铝合金材料或钛合金材料，所述金属内衬的直径为1200～1350mm。

优选地，所述贮箱裙座的材质为铝合金材料或复合材料，所述复合材料采用碳纤维铺层结构。

优选地，所述贮箱裙座上设置有若干环绕金属内衬均匀分布的安装支耳，所述安装支耳的耳片所在圆环的外径为1300～1450mm；

相邻耳片之间设置有减重槽圆弧，所述减重槽圆弧由圆弧部分和直线部分组成，其中，圆弧部分所在圆的半径为25～35mm，由圆弧所在圆的圆心至耳片底端的距离为100～120mm，由直线部分的延长线构成的角度为30°；

所述安装支耳的耳片的壁厚为4～6mm。

优选地，在安装支耳的耳片上设置有安装孔，所述安装孔的孔径为19～25mm。

优选地，所述第二复合材料层的高度为160～220mm，第二复合材料层包括与贮箱体母线平行的部分和与贮箱体母线具有倾角的部分，所述倾角为4～6°。

优选地，所述第三复合材料层为环向碳纤维缠绕层，所述碳纤维缠绕的层数为6～10层。

第二方面，本发明还涉及一种推进剂贮箱裙座安装结构的制造方法，包括如下步骤：

S1、采用铝合金焊接或钛合金焊接制备金属内衬，在金属内衬外侧缠绕设置第一复合材料层，在所述第一复合材料层外侧缠绕设置第二复合材料层；

S2、在第二复合材料层的外表面进行车削加工，使外表面与贮箱体母线呈一定角度；

S3、将经S2加工后的第二复合材料层的外表面涂覆环氧树脂胶；

S4、将贮箱裙座通过S3中的环氧树脂胶胶接在第二复合材料层外侧，其中，贮箱裙座采用铝合金材料或复合材料制备，所述复合材料为碳纤维铺层结构，所述碳纤维铺层结构的铺层工艺采用0°、±45°、90°方案；

S5、采用湿法缠绕工艺将第三复合材料层缠绕在第二复合材料层、贮箱裙座的外侧，所述湿法缠绕工艺包括将环氧树脂与固化剂、促进剂和增塑剂混合制成均匀胶液，将浸有胶液的碳纤维依照环向缠绕的形式缠绕在贮箱裙座外表面上形成第三复合材料层。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明解决了现有复合材料缠绕贮箱安装结构单一的难题，突破了不能赤道设置结构的局限性。

2、本发明开创了首次在上面级液体推进剂复合材料贮箱上使用复合裙座安装结构的先例。

3、本发明解决了现有复合材料贮箱壳体与安装裙座的一体化制造技术的连接结构强度低的难题。通过该发明的制造方法可以实现裙座安装结构承受不小于正轴向20g、负轴向6g和横向10g的力学环境过载。

4、本发明解决了现有大容积复合材料缠绕壳体贮箱安装结构设计、制造困难、抗力学环境差等问题，提高了贮箱整体结构效率和力学环境适应性。

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为本发明推进剂贮箱裙座安装结构的主视图；

图2为图1中沿A-A方向的剖视图；

图3为图1中安装支耳的耳片的局部放大示意图；

图中，1、金属内衬；2、第一复合材料层；3、第二复合材料层；5、贮箱裙座；4、环氧树脂胶；6、第三复合材料层；7、耳片。

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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

第一方面，本发明涉及一种推进剂贮箱裙座安装结构，包括由内至外依次设置的金属内衬1、第一复合材料层2、第二复合材料层3和贮箱裙座5，所述第二复合材料层3与贮箱裙座5之间通过环氧树脂胶4进行连接，在所述第二复合材料层3和贮箱裙座5的外侧设置有第三复合材料层6。

进一步地，所述第一复合材料层2缠绕设置在金属内衬1外侧，所述第二复合材料层3缠绕设置在第一复合材料层2外侧，所述第三复合材料层6缠绕设置在第二复合材料层3、贮箱裙座5的外侧。

所述金属内衬1的材质为铝合金材料或钛合金材料，具体地，所述铝合金材料选用铝合金5A06，所述钛合金材料选用钛合金A0、TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TA7、TA8、TA9、TA10或TC4；所述金属内衬1的直径D1为1200～1350mm。

所述贮箱裙座5的材质为铝合金材料或复合材料，具体地，所述铝合金材料选用铝合金5A06、2A12、2A14、7A04、7A09或7055，所述复合材料采用碳纤维铺层结构。

所述贮箱裙座5上设置有若干环绕金属内衬1均匀分布的安装支耳，所述安装支耳的耳片7所在圆环的外径D2为1300～1450mm；优选地，将贮箱裙座5加工出24个安装支耳。贮箱裙座5的高度H1为260～340mm。

相邻耳片7之间设置有减重槽圆弧，所述减重槽圆弧由圆弧部分和非圆弧部分组成，其中，圆弧部分所在圆的半径R1为25～35mm，由圆弧所在圆的圆心至耳片7底端的距离H3为100～120mm，由直线部分的延长线构成的角度β为30°；所述安装支耳的耳片7的壁厚δ为4～6mm。

在安装支耳的耳片7上设置有安装孔，所述安装孔的孔径D3为19～25mm。

所述第二复合材料层3的高度H2为160～220mm，第二复合材料层3包括与贮箱体母线平行的部分和与贮箱体母线具有倾角的部分，所述倾角α为4～6°。

所述第三复合材料层6为环向碳纤维缠绕层，所述碳纤维缠绕的层数为6～10层。

第二方面，本发明涉及一种推进剂贮箱裙座安装结构的制造方法，包括如下步骤：

S1、采用铝合金焊接或钛合金焊接制备金属内衬1，在金属内衬1外侧缠绕设置第一复合材料层2，在所述第一复合材料层2外侧缠绕设置第二复合材料层3；

S2、对第二复合材料层3的外表面进行车削加工，使外表面与贮箱体母线呈一定角度；

S3、将经S2加工后的第二复合材料层3的外表面涂覆环氧树脂胶4，优选地，环氧树脂胶采用EPON 862；

S4、将贮箱裙座5通过S3中的氧树脂胶4胶接在第二复合材料层3外侧，其中，贮箱裙座5采用铝合金材料或复合材料制备，所述复合材料为碳纤维铺层结构，所述碳纤维铺层结构的铺层工艺采用0°、±45°、90°方案；0°层主要提供轴向强度及刚度，保证压缩性能，90°层提供环向强度及刚度，并固定其它层，±45°主要考虑复合材料连接时的连接强度；

S5、采用湿法缠绕工艺将第三复合材料层6缠绕在第二复合材料层3、贮箱裙座5的外侧，所述湿法缠绕工艺包括将环氧树脂与固化剂、促进剂和增塑剂混合制成均匀胶液，将浸有胶液的碳纤维依照环向缠绕的形式缠绕在贮箱裙座5外表面上形成第三复合材料层6，碳纤维缠绕层数为6～10层。

本发明中第一复合材料层为碳纤维复合材料层、第二复合材料层为裙座定位复合材料层，第三复合材料层为环向固定复合材料层。本发明中贮箱裙座安装方式可以承受正轴向20g、负轴向6g和横向10g的力学环境过载。

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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种推进剂贮箱裙座安装结构，其特征在于，包括由内至外依次设置的金属内衬(1)、第一复合材料层(2)、第二复合材料层(3)和贮箱裙座(5)，所述第二复合材料层(3)与贮箱裙座(5)之间通过环氧树脂胶(4)进行连接，在所述第二复合材料层(3)和贮箱裙座(5)的外侧设置有第三复合材料层(6)；

所述第一复合材料层(2)缠绕设置在金属内衬(1)外侧，所述第二复合材料层(3)缠绕设置在第一复合材料层(2)外侧，所述第三复合材料层(6)缠绕设置在第二复合材料层(3)、贮箱裙座(5)的外侧；所述贮箱裙座(5)上设置有若干环绕金属内衬(1)均匀分布的安装支耳，所述安装支耳的耳片(7)所在圆环的外径为1300～1450mm；

相邻耳片(7)之间设置有减重槽圆弧，所述减重槽圆弧由圆弧部分和直线部分组成，其中，圆弧部分所在圆的半径为25～35mm，由圆弧所在圆的圆心至耳片(7)底端的距离为100～120mm，由直线部分的延长线构成的角度为30°；

所述安装支耳的耳片(7)的壁厚为4～6mm；

所述贮箱裙座(5)的材质为复合材料，所述复合材料采用碳纤维铺层结构；

所述第二复合材料层(3)的高度为160～220mm，第二复合材料层(3)包括与贮箱体母线平行的部分和与贮箱体母线具有倾角的部分，所述倾角为4～6°。

2.根据权利要求1所述的推进剂贮箱裙座安装结构，其特征在于，所述金属内衬(1)的材质为铝合金材料或钛合金材料，所述金属内衬(1)的直径为1200～1350mm。

3.根据权利要求1所述的推进剂贮箱裙座安装结构，其特征在于，在安装支耳的耳片(7)上设置有安装孔，所述安装孔的孔径为19～25mm。

4.根据权利要求1所述的推进剂贮箱裙座安装结构，其特征在于，所述第三复合材料层(6)为环向碳纤维缠绕层，所述碳纤维缠绕的层数为6～10层。

5.一种如权利要求1所述的推进剂贮箱裙座安装结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、采用铝合金焊接或钛合金焊接制备金属内衬(1)，在金属内衬(1)外侧缠绕设置第一复合材料层(2)，在所述第一复合材料层(2)外侧缠绕设置第二复合材料层(3)；

S2、在第二复合材料层(3)的外表面进行车削加工，使外表面与贮箱体母线呈一定角度；

S3、将经S2加工后的第二复合材料层(3)的外表面涂覆环氧树脂胶(4)；

S4、将贮箱裙座(5)通过S3中的环氧树脂胶(4)胶接在第二复合材料层(3)外侧，其中，贮箱裙座(5)采用复合材料制备，所述复合材料为碳纤维铺层结构，所述碳纤维铺层结构的铺层工艺采用0°、±45°、90°方案；

S5、采用湿法缠绕工艺将第三复合材料层(6)缠绕在第二复合材料层(3)、贮箱裙座(5)的外侧；所述湿法缠绕工艺包括将环氧树脂与固化剂、促进剂和增塑剂混合制成均匀胶液，将浸有胶液的碳纤维依照环向缠绕的形式缠绕在贮箱裙座(5)外表面上形成第三复合材料层(6)。

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