一种航天用球形复合材料气瓶制造技术

本发明专利技术公开了一种航天用球形复合材料气瓶，包括金属内衬、敷设于金属内衬外表面的胶粘剂层和缠绕在胶粘剂层外表面的复合材料层，所述金属内衬由球壳、接管嘴和凸台组成，接管嘴和凸台分别位于球壳轴线的两端顶点，球壳的薄膜区采用等壁厚设计，在球壳与接管嘴和凸台的连接过渡区域采用渐变厚度补强设计，所述胶粘剂层均匀敷设在球壳的外表面，将球壳和复合材料层牢固连接，并防止球壳和复合材料层直接接触。本发明专利技术解决了现有复合材料气瓶结构形式单一、金属气瓶结构效率低及安装空间适应性差等问题，取得了结构质量轻、可靠性高、安全性好和空间适应性强等良好效益。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种航天用球形气瓶，具体的，涉及一种薄壁金属内衬/纤维缠绕复合材料气瓶。
技术介绍
复合材料气瓶因其较高的结构效率和未爆先漏的安全失效模式在航天领域得到了广泛应用，成为航天系统最重要的单机设备之一。随着航天对结构效率、可靠性和安全性等性能要求的不断提高、高性能纤维缠绕材料及其缠绕工艺技术的发展，复合材料气瓶完全取代金属材料气瓶指日可待。航天用复合材料气瓶的用途主要是携带高压气体介质，为航天系统提供工作气源。复合材料气瓶发展始于20世纪50年代，由早期的橡胶内衬和玻璃纤维复合材料层逐步发展到今天的金属内衬和Kevlar纤维、碳纤维等高性能纤维复合材料层，其结构效率、可靠性和安全性等综合性能得到了较大的提高。目前，航天系统使用的复合材料气瓶几乎都是柱形复合材料气瓶，球形复合材料气瓶尚未获得实用。这主要是因为柱形复合材料气瓶设计和制造比较容易，技术成熟，结构效率高，研制和使用经验丰富；而球形复合材料气瓶设计和制造难度大，技术不成熟，缺乏研制和使用经验，导致结构效率低于柱形复合材料气瓶。因而，新研制的航天系统为了减轻结构质量、提高可靠性和安全性、降低研制风险一般首选柱形复合材料气瓶。然而，有些航天系统因其特殊的安装空间限制需要采用球形气瓶，但由于球形复合材料气瓶尚不成熟，所以不得不使用金属材料气瓶。这既增加了结构质量，又降低了安全性。鉴于此，航天系统迫切需要发展结构效率高、安全性好、成本低等综合性能高的球形复合材料气瓶，以适应航天事业的发展。
技术实现思路
为了满足航天系统特殊的安装空间需要、严苛的结构质量、高可靠性和安全性等要求，本专利技术提供了一种航天用球形复合材料气瓶。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种航天用球形复合材料气瓶，包括金属内衬、敷设于金属内衬外表面的胶粘剂层和缠绕在胶粘剂层外表面的复合材料层，所述金属内衬由球壳、接管嘴和凸台组成，接管嘴和凸台分别位于球壳轴线的两端顶点，球壳的薄膜区采用等壁厚设计，在球壳与接管嘴和凸台的连接过渡区域采用渐变厚度补强设计，所述胶粘剂层均匀敷设在球壳的外表面，将球壳和复合材料层牢固连接，并防止球壳和复合材料层直接接触。优选地，所述金属内衬的材料为铝合金6061，所述球壳、接管嘴和凸台采用冲压、旋压和机械加工等工艺技术一体成形，无缝连接。优选地，所述金属内衬的材料为钛合金TA0、TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TA7、TA8、TA9、TA10或TC4中的一种，所述球壳11、接管嘴12和凸台13采用锻造、机械加工成形，焊接装配。优选地，所述胶粘剂层由具有较强粘结强度和良好绝缘性能的胶粘剂薄膜或液体胶粘剂涂层经固化制成。优选地，所述复合材料层采用多向、多层、平面缠绕准各向同性缠绕层设计。优选地，所述复合材料层由高性能碳纤维、PBO纤维和Kevlar纤维浸润环氧树脂液后缠绕在球壳之外的胶粘剂层上经固化而成。本专利技术提出的球形复合材料气瓶相较于球形金属气瓶具有结构质量小、可靠性高、安全性好、成本低等优点，解决了航天系统复合材料气瓶安装空间适应性难题，丰富了航天复合材料气瓶的类型。胶粘剂层将金属内衬的球壳与复合材料层牢固连接，有效地提高了金属内衬的薄壁球壳在复合材料层缠绕、自紧、固化、液压试验及使用过程中的抗失稳能力和抗疲劳能力。此外，通过多向、多层、平面缠绕准各向同性缠绕层设计，实现最小结构质量优化设计。本专利技术所得的球形复合材料气瓶具有轻质、高可靠、高安全、低成本和适应特殊安装空间等特点，可广泛用于导弹武器、运载火箭、卫星、飞船、空间站等航天领域。附图说明图1为本专利技术实施例一种航天用球形复合材料气瓶的一个具体实施例的结构示意图。图2为图1中A的剖面图。图3为本专利技术实施例一种航天用球形复合材料气瓶的另一个具体实施例的结构示意图。图4为图3中B的剖面图。具体实施方式为了使本专利技术的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本发明。本专利技术实施例提供了一种航天用球形复合材料气瓶，由金属内衬1、敷设于金属内衬1外表面的胶粘剂层2和缠绕在胶粘剂层2外表面的复合材料层3构成。根据金属内衬1的结构和制造工艺，有两种实施方式。实施例1如图1-2所示，包括如下步骤：步骤一：金属内衬1由球壳11、接管嘴12和凸台13组成，接管嘴和凸台13分别位于球壳11轴线的两端顶点。步骤二：制备金属内衬1的材料为铝合金6061，构成金属内衬1的球壳11、接管嘴12和凸台13采用冲压、旋压和机械加工等工艺一体成形，无缝连接。步骤三：球壳11的薄膜区壁厚相等，在球壳11与接管嘴12和凸台13的连接过渡区域厚度逐渐增大。步骤四：胶粘剂层2按照预先规定的厚度均匀敷设在球壳11的外表面，目的是将金属内衬1的球壳11和复合材料层3牢固连接，并防止球壳11和复合材料层3直接接触，避免发生电偶腐蚀。步骤五：复合材料层3的制备是将高性能的碳纤维、PBO纤维和Kevlar纤维等缠绕纤维浸润环氧树脂液后，采用多向、多层、平面缠绕准各向同性设计缠绕在球壳11之外的胶粘剂层2表面。环氧树脂液是将环氧树脂与固化剂、促进剂和增塑剂等按照一定比例混合而成的胶状液体。步骤六：将步骤五缠绕成形后的气瓶放入固化炉中对胶粘剂层2和复合材料层3进行加热固化，将金属内衬1、胶粘剂层2和复合材料层3牢固连结，形成完整的球形复合材料气瓶。步骤七：将固化后的复合材料气瓶按照规定的压力进行液压自紧，制成满足要求的球形复合材料气瓶。实施例2如图3-4所示，包括如下步骤：步骤一：金属内衬1由球壳11、接管嘴12和凸台13组成，接管嘴和凸台13分别位于球壳11轴线的两端顶点。步骤二：制备金属内衬1的材料为钛合金TA0、TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TA7、TA8、TA9、TA10和TC4中的一种，构成金属内衬1的球壳11、接管嘴12和凸台13采用锻造、机械加工成形，在金属内衬1球壳11的赤道处进行焊接装配。步骤三：球壳11的薄膜区壁厚相等，在球壳11与接管嘴12和凸台13的连接过渡区域厚度逐渐增大。步骤四：胶粘剂层2按照预先规定的厚度均匀敷设在球壳11的外表面，目的是将金属内衬1的球壳11和复合材料层3牢固连接，并防止球壳11和复合材料层3直接接触，避免发生电偶腐蚀。步骤五：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航天用球形复合材料气瓶，其特征在于，包括金属内衬(1)、敷设于金属内衬(1)外表面的胶粘剂层(2)和缠绕在胶粘剂层(2)外表面的复合材料层(3)，所述金属内衬(1)由球壳(11)、接管嘴(12)和凸台(13)组成，接管嘴(12)和凸台(13)分别位于球壳(11)轴线的两端顶点，球壳(11)的薄膜区采用等壁厚设计，在球壳(11)与接管嘴(12)和凸台(13)的连接过渡区域采用渐变厚度补强设计，所述胶粘剂层(2)均匀敷设在球壳(11)的外表面，将球壳(11)和复合材料层(3)牢固连接，并防止球壳(11)和复合材料层(3)直接接触。

【技术特征摘要】
1.一种航天用球形复合材料气瓶，其特征在于，包括金属内衬(1)、敷设于金属
内衬(1)外表面的胶粘剂层(2)和缠绕在胶粘剂层(2)外表面的复合材料层(3)，
所述金属内衬(1)由球壳(11)、接管嘴(12)和凸台(13)组成，接管嘴(12)和凸
台(13)分别位于球壳(11)轴线的两端顶点，球壳(11)的薄膜区采用等壁厚设计，
在球壳(11)与接管嘴(12)和凸台(13)的连接过渡区域采用渐变厚度补强设计，所
述胶粘剂层(2)均匀敷设在球壳(11)的外表面，将球壳(11)和复合材料层(3)牢
固连接，并防止球壳(11)和复合材料层(3)直接接触。
2.根据权利要求1所述的球形复合材料气瓶，其特征在于，所述金属内衬(1)的
材料为铝合金6061，所述球壳(11)、接管嘴(12)和凸台(13)一体成形。
3.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：晏飞，沈俊，王婷婷，陈军军，田桂，吴庆峰，
申请(专利权)人：上海空间推进研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31