CN109631688A - 一种x型复合材料火箭级间段或箱间段连接结构 - Google Patents

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Abstract

一种X型复合材料火箭级间段或箱间段连接结构，包括多个X型级间段/箱间段连接件(1)、前贮箱后短壳(2)、后贮箱前短壳(3)，前贮箱后短壳(2)与前箭体/贮箱结构(5)一体焊接成型，后贮箱/箭体前短壳(3)与后箭体/贮箱结构(4)一体焊接成型。8个X型级间段/箱间段连接件(1)的前端和后端分别与前贮箱后短壳(2)、后贮箱前短壳(3)通过抗剪螺栓机械连接，解决现有火箭级间段/箱间段、深空探测推进飞行器箱间段的连接问题，实现低温推进飞行器前后贮箱间低热导率、进一步提升结构效率以及良好的可装配工艺性。

Description

一种X型复合材料火箭级间段或箱间段连接结构
技术领域
本发明涉及一种X型复合材料火箭级间段或箱间段连接结构，适用于运载火箭级间段或箱间段的连接、深空探测飞行器推进器箱间段连接，属于航天器级间段或箱间段连接领域。
背景技术
为了满足未来深空探测需求，需要针对一型运载器上面级低温推进剂/氧化剂箱间段连接结构进行优化设计，要具有高结构效率，同时要实现低温推进剂贮箱和氧化剂贮箱之间的热隔绝。因此首先从选材上看，传统金属结构方案热导率高，无法满足使用低温推进剂运载器的低热导率要求。因此需提出一种轻质高刚度、低热导率的复合材料整体成型火箭级间段/箱间段连接结构方案。
火箭级间段/箱间段连接结构用于火箭级间、贮箱之间的连接，传递载荷。当前国内外级间段/箱间段连接主要有构架式和半硬壳式结构，构架式结构主要采用碳纤维复合材料缠绕管组成构架或金属焊接圆管组成构架；而半硬壳式结构则采用复合材料或金属加筋壁板的结构形式。其中构架结构效率更高，应用更为广泛。传统的复合材料缠绕杆系构架结构虽然具有低热导率和相对金属结构更加轻质高效的特点，但杆系协调装配较为困难，采用缠绕技术难以实现沿载荷方向布置0°铺层，杆与杆之间相互独立无法互相支撑以进一步提高结构刚度，因此需要提出一种新型复合材料整体成型级间段/箱间段连接结构以进一步提高结构效率。本专利根据复合材料整体成型X型布局连接结构的思想提出具体设计方案，使结构效率进一步得到提升。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种X型复合材料火箭级间段或箱间段连接结构，提供了一种X型复合材料火箭级间段/箱间段连接方案，克服现有火箭级间段/箱间段、深空探测推进飞行器箱间段技术的不足，实现低温推进飞行器前后贮箱间低热导率、进一步提升结构效率以及良好的可装配工艺性，根据复合材料整体成型X型布局连接结构的思想提出具体设计方案，使结构效率进一步得到提升。
本发明解决的技术方案为：一种X型复合材料火箭级间段或箱间段连接结构，包括：多个X型级间段或箱间段连接件(1)、前贮箱后短壳(2)、后贮箱前短壳(3)；多个X型级间段或箱间段连接件(1)绕火箭轴线均匀布置形成环形结构，前贮箱后短壳(2)与火箭前贮箱(5)一体焊接成型，后贮箱前短壳(3)与火箭后贮箱(4)一体焊接成型。
X型级间段或箱间段连接件(1)采用碳纤维复合材料及PMI泡沫夹层整体固化成型结构，以实现高承载、低热导率功能。
X型级间段或箱间段连接件(1)从外到内依次由外面板(101)、第一泡沫夹芯(102)和第二泡沫夹芯(104)、中间面板(103)、内面板(105)整体固化成型，其中外面板(101)、中间面板(103)、内面板(105)先预固化成型，然后与第一泡沫夹芯(102)和第二泡沫夹芯(104)置于组合模具中共固化成型。
外面板(101)、中间面板(103)、内面板(105)碳纤维0°铺层方向沿X型件主承载方向布置，比例55％～60％，±45°铺层比例约30％～35％，90°铺层比例不低于10％。
X型级间段或箱间段连接件(1)的前端和后端与前贮箱后短壳(2)、后贮箱前短壳(3)的连接处增加±45°铺层比例至大于50％。
X型级间段或箱间段连接件(1)的前端和后端分别与前贮箱后短壳(2)、后贮箱前短壳(3)各通过两排抗剪螺栓机械连接，螺栓采用交错排布方式。
X型级间段或箱间段连接件(1)与前贮箱后短壳(2)、后贮箱前短壳(3)的连接部布置在火箭箭体外侧，使结构具有良好的可装配工艺性。
X型级间段或箱间段连接件(1)的前端和后端分别与前贮箱后短壳(2)、后贮箱前短壳(3)连接处保持平直(避免产生曲率)，而使前贮箱后短壳(2)上设置的连接耳片(连接耳片用于跟X型级间段或箱间段连接件(1)连接)相对火箭向内拐折，使后贮箱前短壳(3)连接处相对火箭向外拐折，避免连接处复合材料X型级间段/箱间段连接件(1)在连接处出现拐折，提高了结构承载能力。
X型级间段或箱间段连接件(1)前后端部夹层处的泡沫夹芯(夹芯包括第一泡沫夹芯(102)和第二泡沫夹芯)优选采用不大于30度角的斜坡过渡，以防止应力集中。
后贮箱前短壳(3)为环框结构，后贮箱前短壳(3)的前端(前端是指与X型级间段或箱间段连接件(1)连接的一端)设置环向弯边(优选向内弯)，以提高结构刚度。
前贮箱后短壳(2)采用机加成型，前贮箱后短壳(2)设置有多个外凸耳片与X型级间段/箱间段连接件(1)前端相连，在多个耳片之前设置环向、纵向(纵向指沿轴线方向)加强筋，以提高结构刚度。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用X型复合材料火箭级间段/箱间段连接方案可以通过组合模具整体共固化高精度成型，纤维方向的排布可以根据优化结果设置，避免了传统碳纤维缠绕杆系结构纤维主方向沿载荷方向有一定夹角，并且X型杆系构架构型使承载结构两两互相支撑，因此提高了结构刚度，从而结构效率更高；
(2)本发明与前后短壳采用抗剪螺栓机械连接方式，并且X型复合材料火箭级间段/箱间段连接件位于前后短壳连接结构的外侧，具有良好的装配工艺性。
(3)本发明X型级间段或箱间段连接件采用泡沫夹层整体固化成型结构，以实现高承载、低热导率功能。
(4)本发明X型级间段或箱间段连接件(1)与前贮箱后短壳(2)、后贮箱前短壳(3)的连接部布置在火箭箭体外侧，使结构具有良好的可装配工艺性。
(5)本发明X型级间段或箱间段连接件(1)的前端和后端分别与前贮箱后短壳(2)、后贮箱前短壳(3)连接处保持平直，而使前贮箱后短壳(2)上设置的连接耳片相对火箭向内拐折，使后贮箱前短壳(3)连接处相对火箭向外拐折，避免连接处复合材料X型级间段/箱间段连接件(1)在连接处出现拐折，提高了结构承载能力。
(6)本发明X型级间段或箱间段连接件(1)前后端部夹层处的泡沫夹芯采用不大于30度角的斜坡过渡，以防止应力集中。
(7)本发明前贮箱后短壳(2)采用机加成型，前贮箱后短壳(2)设置有多个外凸耳片与X型级间段/箱间段连接件(1)前端相连，在多个耳片之前设置环向、纵向加强筋，以提高结构刚度。
附图说明
图1为本发明自X型复合材料火箭级间段或箱间段连接结构组成图；
图2为本发明X型复合材料火箭级间段或箱间段连接件组成图；
图3为本发明X型复合材料火箭级间段或箱间段连接件铺层方向及截面示意图；
图4为本发明X型复合材料火箭级间段或箱间段连接件与级间段或箱间段短壳结构连接示意图一；
图5为本发明X型复合材料火箭级间段或箱间段连接件与级间段或箱间段短壳结构连接示意图二；
图6为本发明火箭前贮箱后短壳结构示意图；
图7为本发明火箭后贮箱前短壳结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种X型复合材料火箭级间段或箱间段连接结构，包括：多个X型级间段或箱间段连接件(1)、前贮箱后短壳(2)(也称为前贮箱/箭体后短壳结构(2))、后贮箱前短壳(3)(也称为后贮箱/箭体前短壳(3))；多个X型级间段或箱间段连接件(1)绕火箭轴线均匀布置形成环形结构，X型级间段或箱间段连接件(1)优选采用碳纤维复合材料及PMI泡沫夹层整体固化成型结构，以实现高承载、低热导率功能。X型级间段或箱间段连接件(1)从外到内依次由外面板(101)、第一泡沫夹芯(102)和第二泡沫夹芯(104)、中间面板(103)、内面板(105)整体固化成型，其中外面板(101)、中间面板(103)、内面板(105)先预固化成型，然后与第一泡沫夹芯(102)和第二泡沫夹芯(104)置于组合模具中共固化成型。外面板(101)、中间面板(103)、内面板(105)碳纤维0°铺层方向沿X型件主承载方向布置，优选比例55％～60％，优选±45°铺层比例约30％～35％，优选90°铺层比例不低于10％。
前贮箱后短壳(2)与火箭前贮箱(5)(也称为前箭体/贮箱结构(5))一体焊接成型，后贮箱前短壳(3)与火箭后贮箱(4)(也称为后箭体/贮箱结构(4))一体焊接成型。X型级间段或箱间段连接件(1)的前端和后端与前贮箱后短壳(2)、后贮箱前短壳(3)的连接处优选增加±45°铺层比例至大于50％。X型级间段或箱间段连接件(1)的前端和后端分别与前贮箱后短壳(2)、后贮箱前短壳(3)各通过两排抗剪螺栓机械连接，螺栓采用交错排布方式。X型级间段或箱间段连接件(1)与前贮箱后短壳(2)、后贮箱前短壳(3)的连接部布置在火箭箭体外侧，使结构具有良好的可装配工艺性。前贮箱后短壳(2)、后贮箱前短壳(3)优选采用铝合金材质。
X型级间段或箱间段连接件(1)的前端和后端分别与前贮箱后短壳(2)、后贮箱前短壳(3)连接处保持平直(避免产生曲率)，而使前贮箱后短壳(2)上设置的连接耳片(连接耳片用于跟X型级间段或箱间段连接件(1)连接)相对火箭向内拐折，使后贮箱前短壳(3)连接处相对火箭向外拐折，避免连接处复合材料X型级间段/箱间段连接件(1)在连接处出现拐折，提高了结构承载能力。前贮箱后短壳(2)采用机加成型，前贮箱后短壳(2)设置有多个外凸耳片与X型级间段/箱间段连接件(1)前端相连，在多个耳片之前设置环向、纵向(纵向指沿轴线方向)加强筋，以提高结构刚度。X型级间段或箱间段连接件(1)前后端部夹层处的泡沫夹芯(夹芯包括第一泡沫夹芯(102)和第二泡沫夹芯)优选采用不大于30度角的斜坡过渡，以防止应力集中。
后贮箱前短壳(3)为环框结构，后贮箱前短壳(3)的前端(前端是指与X型级间段或箱间段连接件(1)连接的一端)设置环向弯边(优选向内弯)，以提高结构刚度。
如图1所示为本发明的X型复合材料火箭级间段/箱间段连接结构的组成图，图中主要包括8个X型级间段/箱间段连接件(1)、前贮箱/箭体后短壳结构(2)、后贮箱/箭体前短壳结构(3)。前贮箱/箭体后短壳结构(2)与前箭体/贮箱结构(5)一体焊接成型，后贮箱/箭体前短壳(3)与后箭体/贮箱结构(4)一体焊接成型。
如图2所示为本发明X型复合材料火箭级间段/箱间段连接件组成图。该连接件夹层整体固化成型结构以实现高承载、低热导率功能。X型级间段/箱间段连接件(1)由外面板(101)、泡沫夹芯(102)和(104)、中间面板(103)、内面板(105)整体固化成型，其中外面板(101)、中间面板(103)、内面板(105)先预固化成型，然后与泡沫夹芯(102)和(104)置于组合模具中共固化成型。
如图3所示为本发明X型复合材料火箭级间段/箱间段连接件铺层方向及截面示意图；如图3所示，优选方案为：X型连接件两支腿(109)、(110)分别按承载方向布置主纤维0°铺层。右侧的剖视图给出了X型复合材料火箭级间段/箱间段连接件的组成，同时在X型连接件外缘条(106)增加0°铺层单向带的布置，以提高结构承载能力。从A-A处的剖面是沿X型火箭级间段或箱间段连接件(1)的一个支腿的横截面进行剖面。X型连接件外缘条(106)为凸字形，第一泡沫夹芯(102)和第二泡沫夹芯(104)相对于中间面板(103)对称分布。外面板(101)、内面板(105)中部凸起，凸起内分别设置有容纳第一泡沫夹芯(102)和第二泡沫夹芯(104)的空间。X型连接件两支腿(109)、(110)的优选形成的夹角为45度～65度，当用于火箭箱间连接时，优选两支腿(109)与(110)的交叉点偏向后贮箱前短壳(3)，使两支腿(109)与(110)中较长的支腿相对较短的支腿长度比达到2：1至2.5：1，以提高支撑能力。
如图4、图5所示为本发明X型复合材料火箭级间段/箱间段连接件与级间段/箱间段短壳结构连接示意图。其中图4给出了X型复合材料火箭级间段/箱间段连接件与级间段/箱间段短壳结构的位置关系，X型复合材料火箭级间段/箱间段连接件布置在前贮箱/箭体后短壳结构(2)、后贮箱/箭体前短壳结构(3)的外侧，为典型单搭接连接形式。X型复合材料火箭级间段/箱间段连接件(1)的前后靠近与贮箱短壳连接端(108)设置的斜坡(107)，斜坡(107)的角度(即斜坡所在的平面与支腿中轴线所形成的最小夹角)优选不大于30°以防止应力集中，前后连接端(108)处的±45°铺层的比例增至50％以上，且采用对称均衡的准各向同性铺层构型以增强结构连接承载能力。图5给出了X型复合材料火箭级间段/箱间段连接件与级间段/箱间段短壳结构的连接紧固件排布形式，采用2排紧固件排布，亦可采用交错排布形式，图4中的详图1和详图2为B-B剖面所圈部分①、②的放大显示，B-B剖面是沿X型火箭级间段或箱间段连接件(1)的一个支腿的纵向截面进行剖面。连接耳片(201)将前后连接端(108)与前贮箱/箭体后短壳结构(2)连接，为保证稳定性，优选采用两个连接耳片(201)，分别位于前后连接端(108)的两侧，将前后连接端(108)与前贮箱/箭体后短壳结构(2)连接。
如图6所示为本发明火箭前贮箱后短壳结构示意图，火箭前贮箱后短壳结构(2)主要包含连接耳片(201)、机加纵向加筋(202)、环向机加筋(203)、其中连接耳片相对火箭向内拐折，这样防止了X型复合材料火箭级间段/箱间段连接件(1)在此处的拐折，提高结构承载能力，同时简化了X型复合材料火箭级间段/箱间段连接件(1)的外形曲率，提升结构装配配合面的匹配性。设置机加纵向加筋(202)、环向机加筋(203)以提高结构刚度。C-C剖面为沿前贮箱/箭体后短壳结构(2)的轴线所剖，由于沿轴线对称，省略另一半以求图样简明，机加纵向加筋(202)连接环向机加筋(203)与连接耳片(201)，提高结构承载能力
如图7所示为本发明火箭后贮箱前短壳结构示意图，火箭后贮箱前短壳结构(3)主要包含的特征有：环向凸缘(301)、环向腹板(302)。设置环向凸缘(301)是为了提高结构局部刚度；环向腹板(302)相对火箭向外拐折，防止了X型复合材料火箭级间段/箱间段连接件(1)在此处的拐折。
本发明采用X型复合材料火箭级间段或箱间段连接方案可以通过组合模具整体共固化高精度成型，纤维方向的排布可以根据优化结果设置，避免了传统碳纤维缠绕杆系结构纤维主方向沿载荷方向有一定夹角，并且X型杆系构架构型使承载结构两两互相支撑，因此提高了结构刚度，从而结构效率更高。

Claims (10)

1.一种X型复合材料火箭级间段或箱间段连接结构，其特征在于：包括：多个X型级间段或箱间段连接件(1)、前贮箱后短壳(2)、后贮箱前短壳(3)；多个X型级间段或箱间段连接件(1)绕火箭轴线均匀布置形成环形结构；多个X型级间段或箱间段连接件(1)形成的环形结构前端与后端分别与前贮箱后短壳(2)和后贮箱前短壳(3)固连；当用于火箭级间连接时，前贮箱后短壳(2)、后贮箱前短壳(3)分别与火箭相邻两级一体焊接成型；当用于火箭箱间连接时，前贮箱后短壳(2)与火箭前贮箱(5)一体焊接成型，后贮箱前短壳(3)与火箭后贮箱(4)一体焊接成型。
2.根据权利要求1所述的一种X型复合材料火箭级间段或箱间段连接结构，其特征在于：X型级间段或箱间段连接件(1)采用碳纤维复合材料及PMI泡沫夹层整体固化成型结构。
3.根据权利要求1所述的一种X型复合材料火箭级间段或箱间段连接结构，其特征在于：X型级间段或箱间段连接件(1)从外到内依次由外面板(101)、第一泡沫夹芯(102)和第二泡沫夹芯(104)、中间面板(103)、内面板(105)整体固化成型，其中外面板(101)、中间面板(103)、内面板(105)先预固化成型，然后与第一泡沫夹芯(102)和第二泡沫夹芯(104)置于组合模具中共固化成型。
4.根据权利要求1所述的一种X型复合材料火箭级间段或箱间段连接结构，其特征在于：X型级间段或箱间段连接件(1)的数量为8个。
5.根据权利要求1所述的一种X型复合材料火箭级间段或箱间段连接结构，其特征在于：X型级间段或箱间段连接件(1)的前端和后端分别与前贮箱后短壳(2)、后贮箱前短壳(3)各通过两排抗剪螺栓机械连接，螺栓采用交错排布方式。
6.根据权利要求1所述的一种X型复合材料火箭级间段或箱间段连接结构，其特征在于：X型级间段或箱间段连接件(1)与前贮箱后短壳(2)、后贮箱前短壳(3)的连接部布置在火箭箭体外侧，使结构具有可装配工艺性。
7.根据权利要求1所述的一种X型复合材料火箭级间段或箱间段连接结构，其特征在于：X型级间段或箱间段连接件(1)的前端和后端分别与前贮箱后短壳(2)、后贮箱前短壳(3)连接处保持平直，而使前贮箱后短壳(2)上设置的连接耳片相对火箭向内拐折，使后贮箱前短壳(3)连接处相对火箭向外拐折，避免连接处复合材料X型级间段/箱间段连接件(1)在连接处出现拐折。
8.根据权利要求1所述的一种X型复合材料火箭级间段或箱间段连接结构，其特征在于：X型级间段或箱间段连接件(1)前后端部夹层处的泡沫夹芯采用斜坡过渡。
9.根据权利要求1所述的一种X型复合材料火箭级间段或箱间段连接结构，其特征在于：后贮箱前短壳(3)为环框结构，后贮箱前短壳(3)的前端设置环向弯边。
10.根据权利要求1所述的一种X型复合材料火箭级间段或箱间段连接结构，其特征在于：前贮箱后短壳(2)采用机加成型，前贮箱后短壳(2)设置有多个外凸耳片与X型级间段/箱间段连接件(1)前端相连，在多个耳片之前设置环向、纵向加强筋。
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