一种大尺寸超轻量化低温贮箱制造技术

本发明专利技术属于航空航天技术领域，公开了一种大尺寸超轻量化低温贮箱。包括金属内胆、复合材料外壳、绝热结构和防晃结构；金属内胆包括圆柱筒段和箱底；圆柱筒段由一定厚度和宽度的金属薄带螺旋卷制而成，其两端分别连接箱底；复合材料外壳位于金属内胆外侧，二者间设置绝热结构；所述绝热结构均匀包覆于金属内胆外侧；大尺寸超轻量化低温贮箱一端设置加液管，另一端设置排气管，侧面设置液位计、压力仪表；本发明专利技术的大尺寸超轻量化低温贮箱在保持要求的强度、刚度以及密度条件下，大幅降低质量；同时保证一定抗压性。时保证一定抗压性。时保证一定抗压性。

【技术实现步骤摘要】
一种大尺寸超轻量化低温贮箱


[0001]本专利技术涉及航空航天
，特别涉及一种大尺寸超轻量化低温贮箱。

技术介绍

[0002]低温贮箱是航天飞行器的重要组成部分，用于储存液氢、液氧、煤油等低温燃料。低温贮箱整体结构尺寸大、质量占比大，因此对低温贮箱结构与质量的优化是实现飞行器轻量化、提高结构效率和运载能力的关键。“陈振国,矫维成,闫美玲,等.碳纤维增强树脂基复合材料低温贮箱抗渗漏性研究进展[J].玻璃钢/复合材料，2018(11):109
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116.”中指出，以运载火箭为例，低温贮箱结构重量占箭体结构总重的50％以上，贮箱轻量化一直都是提高火箭运载效率的重要途径之一。而对于新一代空天飞机，贮箱轻量化的需求更为迫切，轻量化指标也更为苛刻。例如，此类贮箱要求等效面密度不大于9kg/m2，当采用铝合金、不锈钢来制备箱体时，箱体的等效厚度不能超过3.3mm和1.15mm，这显然不合理。更为重要的是，大尺寸贮箱对箱体材料的强度要求越来越高。例如，对于径厚比(外径与壁厚比D/t)大于1000、承压不低于0.5MPa的贮箱，要求箱体材料的屈服强度不小于350MPa(取安全系数1.5)，现有铝合金板、不锈钢板的强度已无法满足要求。正因如此，传统金属结构材料如铝合金、不锈钢已无法用于新型大尺寸轻量化贮箱的制造。
[0003]采用复合材料是实现贮箱轻量化的重要途径之一，国内外都已开展相关研究并取得重要进展。利用碳纤维复合材料连续缠绕，美国航空航天局NASA和波音公司制备出壁厚约2.0mm、直径达5m甚至更大的复合材料贮箱。但由于复合材料与液氧存在相容性问题，复合材料中的树脂基体会在低温下出现裂纹或孔洞，所制成的液氧贮箱存在微裂纹及液体渗漏的风险，这在很大程度上限制了复合材料低温贮箱的实际应用。同时，全复合材料的低温贮箱还存在如下几方面问题：(1)复合材料的可加工性差，全复合材料贮箱的壳体与燃料输送管路、测量仪表等其他结构的直接连接和密封存在很大困难；(2)复合材料缠绕存在非连续性，全复合材料贮箱的结构刚度低、抗压缩失稳能力差，需要在壳体内外增加额外的加强容框或筋板等，导致结构复杂；(3)低温贮箱需要采用复杂的隔热结构、防晃结构等，而在全复合材料贮箱上设置或连接此类结构难度很大。
[0004]新一代空天飞机、重型运载火箭等飞行器的大尺寸低温贮箱，对结构轻量化要求极为苛刻，传统金属材料贮箱无法满足等效面密度要求、屈服强度低无法满足承压要求，而全复合材料贮箱又存在液体渗漏的风险以及与其他结构连接、密封、装配困难等缺点。因此，需要提出全新的超轻量化大尺寸低温贮箱结构。

技术实现思路

[0005]为提高航天飞行器运载效率，满足苛刻的轻量化要求，同时确保安全性，本专利技术提供一种大尺寸超轻量化低温贮箱结构，以解决现有金属贮箱等效面密度大、结构超重、承压能力不足，以及全复合材料贮箱存在液体渗漏及与其他结构连接、密封困难的问题，从而为新一代空天飞机、重型运载火箭等先进飞行器的设计制造提供基础保障。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种大尺寸超轻量化低温贮箱，包括：金属内胆3、复合材料外壳5、绝热结构4和防晃结构6；所述金属内胆3为球柱形结构，其包括圆柱筒段13和半球形箱底14；圆柱筒段13由一定厚度和宽度的金属薄带螺旋卷制而成，其两端分别连接半球形箱底14；卷制圆柱筒段13的薄带两侧经轧制形成弯曲的咬口；在卷制过程中使得两侧咬口边相互扣合，再由卷制设备中上下相对滚动的咬合轮，将互相扣合的咬口合缝压紧；复合材料外壳5位于金属内胆3外侧，二者间设置绝热结构4；所述绝热结构4均匀包覆于金属内胆3外侧；大尺寸超轻量化低温贮箱一端设置加液管8，另一端设置排气管2，侧面设置液位计11、压力仪表12；加液管8和排气管2均伸入至大尺寸超轻量化低温贮箱内；加液管8上设有加注截止阀9和排放截止阀10；所述加注截止阀9和排放截止阀10通过三通接头一端与加液管连接；所述半球形箱底14由冲压或拉深等方法制造，采用焊接或法兰连接的方式与圆柱筒段13连接。
[0007]排气管2上设有调压阀1；液位计11、压力仪表12通过连接管道伸入至大尺寸超轻量化低温贮箱内；金属内胆3内两侧设有竖向滑动槽7，用于安装防晃结构6。所述滑动槽7采用铝合金制成。
[0008]所述防晃结构6为圆柱形，包括浮板17、传动环15和预应力弹性装置16；传动环15于滑动槽7上移动，其内侧通过四根预应力弹性装置16连接浮板17；浮板17位于传动环15中间。所述浮板17与传动环15厚度为30mm。
[0009]所述金属内胆3为铝合金薄带；所述复合材料外壳5为碳纤维增强复合材料；所述绝热结构4为柔性隔热材料。
[0010]所述柔性隔热材料为聚酰亚胺薄膜、聚酰胺纤维毡、硅橡胶中的一种。
[0011]所述金属内胆3、绝热结构4、复合材料外壳5之间采用胶粘或者热压方式连接。
[0012]所述胶粘连接粘合剂为环氧树脂粘合剂、聚氨酸胶水、丙烯酸胶水、硅橡胶胶水中的一种。
[0013]本专利技术的有益效果：
[0014](1)本专利技术采用金属内胆与复合材料外壳相结合的结构，金属内胆圆柱筒段采用的螺旋结构较传统直缝管结构强度高，同时，所述贮箱金属内胆的圆柱筒段成型时只需转变成形角度，就可以用同一宽度的铝合金薄带生产不同直径的筒段，因为是连续弯曲成形，所以筒段的长度不受限制，可有效满足大尺寸贮箱的生产需求。
[0015](2)本专利技术采用金属内胆与复合材料外壳相结合的结构，金属内胆圆柱筒段采用的螺旋结构具有一定的轴向伸缩性与环向伸缩性，可以一定程度吸收因充放低温推进剂而产生的热胀冷缩变形，提高抵抗冲击性能，使结构更稳定。
[0016](3)本专利技术采用金属内胆与复合材料外壳相结合的结构，低温贮箱需要采用隔热结构和防晃结构等，相较于复合材料贮箱上的连接此类结构，在金属内胆内部设置防晃结构更为简单，并能有效抑制液体的晃动，同时在金属内胆外侧连接有柔性隔热材料，可适应内部金属内胆的热胀冷缩，从而减小内外层之间的应力，此外柔性隔热材料可以进一步提高低温贮箱的密封性和耐用性。
[0017](4)复合材料外壳质量较轻，相比传统的金属贮箱，采用复合材料外壳可以大幅降低贮箱的质量，提高贮箱的运行效率。复合材料外壳具有高强度、高刚度、低密度等优良性能，同时也具备良好的抗疲劳性能，相比传统金属贮箱，采用复合材料外壳可以提高贮箱的
结构强度，提高贮箱的载荷能力。
[0018](5)一方面金属内胆具有良好的密封性，在金属内胆与复合材料外壳的结合处采用完善的密封设计，可以有效防止液体泄漏，同时，金属内胆与液氧相容，耐腐蚀性能好，可保证贮箱的密封性能和防护性能。金属内胆可加工性好，燃料输送管路、测量仪表等其他结构可直接连接于金属内胆内壁，同时金属内胆与复合材料外壳之间采用粘合剂连接，保证输送管路、测量仪表连接性能的同时还能保证密封性能。
[0019](6)金属内胆作为复合材料外壳的支撑结构，具有一定的强度和刚度，可以有效本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大尺寸超轻量化低温贮箱，其特征在于，所述大尺寸超轻量化低温贮箱包括：金属内胆(3)、复合材料外壳(5)、绝热结构(4)和防晃结构(6)；所述金属内胆(3)为球柱形结构，其包括圆柱筒段(13)和半球形箱底(14)；圆柱筒段(13)由一定厚度和宽度的金属薄带螺旋卷制而成，其两端分别连接半球形箱底(14)；卷制圆柱筒段(13)的薄带两侧经轧制形成弯曲的咬口；卷制过程中两侧咬口边相互扣合，卷制设备中上下相对滚动的咬合轮，进一步将互相扣合的咬口合缝压紧；复合材料外壳(5)位于金属内胆(3)外侧，二者间设置绝热结构(4)；所述绝热结构(4)均匀包覆于金属内胆(3)外侧；大尺寸超轻量化低温贮箱一端设置加液管(8)，另一端设置排气管(2)，侧面设置液位计(11)、压力仪表(12)；加液管(8)和排气管(2)均伸入至大尺寸超轻量化低温贮箱内；加液管(8)上通过三通接头分别设有加注截止阀(9)和排放截止阀(10)；排气管(2)上设有调压阀(1)；液位计(11)、压力仪表(12)通过连接管道伸入至大尺寸超轻量化低温贮箱内；金属内胆(3)内两侧设有滑动槽(7)，用于安装防晃结构(6)。2.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：何祝斌，文泽宇，袁杭，钱希兴，林艳丽，王斌，刘英智，刘太盈，
申请(专利权)人：北京星航机电装备有限公司，
类型：发明
国别省市：