具有三角形夾芯壁的運載火箭低溫復合材料貯箱及其加工方法技術

本發明專利技術提供一種具有三角形夾芯壁的運載火箭低溫復合材料貯箱，貯箱包括前底蓋、前封頭、箱筒段內外壁、后封頭、后底蓋和后底池殼，其特征在于，箱筒段外壁與箱筒段內壁之間設有加強筋構成三角形夾芯壁結構，其中，前封頭與箱筒段內壁和箱筒段外壁的連接處以及后封頭與箱筒段內壁和所述箱筒段外壁的連接處均構成Y型環三角形夾芯壁連接結構。本發明專利技術還公開了上述貯箱的加工方法，采用纖維纏繞成型結合纖維鋪放成型膠接共固化整體成型工藝。本發明專利技術主要利用在貯箱封頭段與箱筒段連接處剪應力高的位置設置三角形夾芯壁結構，加強連接處的剪切強度，具有提高了貯箱軸向承載能力，減少結構裝配復雜性，提高生產效率等效果。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種低溫存儲液體的貯箱及其加工方法，特別是指具有三角形夾芯壁的運載火箭低溫復合材料貯箱，可替代傳統鋁-鋰金屬貯箱。應用于運載火箭中低溫推進劑的盛放、前后部件的連接、彈體完整外形的保持等。
技術介紹
國內制造出的液態推進劑貯箱普遍采用金屬材料，目前航天部門為了實現運載火箭整體輕質化，采用如鋁-鋰合金等具有高比強度、高比剛度的先進鋁合金[1]。金屬貯箱的制造過程大體如下：對機械或化學銑切的網格形金屬平板進行機械加工，填充聚乙烯方塊，從而進行貯箱壁成型。壁板成型成適當的形狀以后，將其裝配在夾具上，采用熔化極惰性氣體保護焊進行焊接。接著，將拉伸成型的擠壓角材對焊到貯箱筒殼的兩端，分別用九塊球面三角形瓜瓣對焊成兩個箱底，并修整焊縫，得到整體貯箱結構[2]。由于傳統貯箱采用金屬材料且制造過程涉及以下廣泛的工藝：熱處理、表面處理、鈑金成形、化學銑切、機械加工、鉚接、焊接等[2]。因此傳統金屬貯箱存在的主要缺陷有：結構質量大、工藝復雜多樣、制造周期長、成本昂貴。而由于碳纖維增強樹脂基復合材料具有輕質高強等優良性能，發達國家中復合材料貯箱的使用已經十分普遍。復合材料推進器貯箱成型工藝主要采用以下三種：手糊成型，纏繞成型和鋪放成型。手糊成型是用纖維增強材料和樹脂膠液在模具上鋪敷，室溫(或加溫)、無壓(或低壓)條件下固化，脫模成制品的成型工藝方法。纏繞成型是將浸過樹脂膠液的連續纖維或布帶，按照一定規律纏繞到芯模上，然后固化脫模成為增強塑料制品的成型工藝過程[3]。鋪放成型工藝采用有隔離襯紙的單向預浸帶，在鋪帶頭中完成預定形狀的切割、定位，加熱后按照一定設計方向在壓輥作用下，直接鋪疊到曲率半徑較大且變化緩慢的模具表面[4]。單獨采用上述三種工藝存在以下缺陷：手糊成型的缺陷：生產效率低；產品質量不易控制、性能穩定性差；產品中纖維體分比低，力學性能差。纖維纏繞成型的缺陷：纏繞成型適應性小，不能纏繞任意結構形式的制品；纏繞成型需要有纏繞機，芯模，固化加熱爐，脫模機及熟練的技術工人，造價昂貴、技術要求高[3]。相比于以上成型技術，自動鋪放成型技術是一種先進復合材料構件低成本、自動化、數字化制造技術。然而，自動鋪放成型技術的關鍵在于需要有成型的自動鋪放設備，國內相關研究尚處于起步階段，只能完成一些結構簡單或小尺寸復合材料結構，而大型復合材料結構還是以手工鋪放成型為主，因此，國內制造工藝難以完成貯箱整體鋪放成型[5]。在貯箱構型方面，為了防止內部推進劑液體泄漏，國外成型的運載火箭復合材料推進劑貯箱通常在復合材料貯箱內部嵌入金屬內襯結構。對于金屬內襯復合材料貯箱，所含金屬內襯不僅增加了貯箱的重量，同時，還要考慮金屬內襯與復合材料貯箱內壁之間的連接問題。含內襯復合材料貯箱的設計一般采用網格理論，它忽略了樹脂基體對整個復合材料層合板剛度的貢獻，即認為纖維承受了全部的殼體薄膜應力[1]。在設計含金屬內襯復合材料貯箱時，只需保證結構的強度要求，液體推進劑密封的功能性要求則由內襯來承擔，即結構強度設計與液體推進劑的密封性功能設計是可分離的。目前普遍采用的單壁桶狀結構復合材料貯箱在復雜環境下工作時，由于受到熱-力耦合載荷的影響，封頭段與箱筒段之間連接處會產生較高的剪應力，導致貯箱結構漸進破壞，從而引發貯箱內推進劑的泄漏。且在火箭發射過程時貯箱會受到較大的軸向載荷，在箱筒段中0°鋪層承受軸向載荷效果好，但纏繞工藝不能纏繞出0°鋪層，因此需要增加復合材料貯箱箱筒段中小角度的鋪層數量，而這會導致貯箱整體重量大，難以完成航天重量指標。[參考文獻][1]黃誠,雷勇軍.大型運載火箭低溫復合材料貯箱設計研究進展[J].宇航材料工藝,2015,45(2).[2]熊煥.低溫貯箱及鋁鋰合金的應用[J].導彈與航天運載技術,2001(6):33-40.[3]復合材料工藝及設備[M],武漢理工大學出版社,1994.[4]何亞飛,矯維成,楊帆,等.樹脂基復合材料成型工藝的發展[J].纖維復合材料,2011(2):7-13.[5]還大軍.復合材料自動鋪放CAD/CAM關鍵技術研究[D].南京航空航天大學,2010.
技術實現思路
根據上述提出的技術問題，而提供一種具有三角形夾芯壁的運載火箭低溫復合材料貯箱及其加工方法。本專利技術主要利用在貯箱封頭段與箱筒段連接處剪應力高的位置設置三角形夾芯壁結構，加強連接處的剪切強度，以及采用復合材料纏繞加鋪放膠接共固化成型技術制作，從而極大提高了貯箱軸向承載能力，減少結構裝配復雜性，提高生產效率等效果。本專利技術采用的技術手段如下：一種具有三角形夾芯壁的運載火箭低溫復合材料貯箱，所述貯箱包括前底蓋、前封頭、箱筒段內壁、設置在所述箱筒段內壁外側的箱筒段外壁、后封頭、后底蓋和后底池殼，所述前底蓋與所述前封頭連接，所述后封頭與所述后底蓋連接，所述前封頭、所述后封頭通過膠層分別固定與所述箱筒段內壁的上下兩端，所述后底蓋和所述后底池殼螺栓連接；其特征在于，所述箱筒段外壁與所述箱筒段內壁之間設有加強筋構成三角形夾芯壁結構，其中，所述前封頭與所述箱筒段內壁和所述箱筒段外壁的連接處以及所述后封頭與所述箱筒段內壁和所述箱筒段外壁的連接處均構成Y型環三角形夾芯壁連接結構；所述Y型環三角形夾芯壁連接結構是設置在所述箱筒段內壁邊緣向上下兩端延伸預設的位置上，由前封頭邊緣延伸部或后封頭邊緣延伸部、箱筒段內壁邊緣延伸部、箱筒段外壁邊緣延伸部、橡膠薄膜膠接層和所述加強筋組成。進一步地，所述箱筒段內壁與所述加強筋的夾角α為50°-80°。進一步地，所述箱筒段內壁與所述加強筋的夾角α為60°-70°。進一步地，所述前底蓋、所述前封頭、所述箱筒段內壁、所述加強筋、所述箱筒段外壁、所述后底蓋、所述后底池殼和所述后封頭均由碳纖維增強樹脂基復合材料制成，尤其指IM7/977-3，IM7/977-2、T700/TDE-86以及AS4/3501-6碳纖維增強樹脂基復合材料。本專利技術還公開了一種上述具有三角形夾芯壁的運載火箭低溫復合材料貯箱的加工方法，其特征在于，所述貯箱采用纖維纏繞成型結合纖維鋪放成型膠接共固化整體成型工藝，其中，所述前封頭、所述后封頭采用纖維纏繞成型工藝；所述箱筒段內壁和所述箱筒段外壁采用纖維鋪放成型工藝；所述前底蓋、所述后底蓋、所述后底池殼和所述加強筋采用熱壓罐成型工藝。進一步地，所述箱筒段內壁的鋪層方式為[0/90/0]2s，總厚度為1.5mm-1.8mm，單層厚度0.125mm-0.15mm；所述箱筒段外壁的鋪層方式為[0/90/0]4s，總厚度為3mm-3.6mm，單層厚度0.125mm-0.15mm；所述前封頭和所述后封頭的模數為1.54，其纖維鋪層方式為[±55/±35]s，總厚度為1.0mm-1.2mm，單層厚度0.125mm-0.15mm。進一步地，所述直通段內壁與所述箱筒段外壁之間的距離，即加強筋的垂直高度為20mm-40mm；所述加強筋與箱筒段內壁貼合寬度，即加強筋的水平寬度為10mm-20mm；所述加強筋內部開口的垂直高度為15mm-35mm，所述加強筋內部開口的水平寬度為3mm-8mm；相鄰的兩個構成三角形夾芯壁結構的所述加強筋組之間的距離為50mm-100mm。進一步地，所述直通段內壁與所述箱筒段外壁之間的距離，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種具有三角形夾芯壁的運載火箭低溫復合材料貯箱，所述貯箱包括前底蓋(1)、前封頭(2)、箱筒段內壁(4)、設置在所述箱筒段內壁(4)外側的箱筒段外壁(9)、后封頭(5)、后底蓋(6)和后底池殼(7)，所述前底蓋(1)與所述前封頭(2)連接，所述后封頭(5)與所述后底蓋(6)連接，所述前封頭(2)、所述后封頭(5)通過膠層分別固定與所述箱筒段內壁(4)的上下兩端，所述后底蓋(6)和所述后底池殼(7)螺栓連接；其特征在于，所述箱筒段外壁(9)與所述箱筒段內壁(4)之間設有加強筋(10)構成三角形夾芯壁結構，其中，所述前封頭(2)與所述箱筒段內壁(4)和所述箱筒段外壁(12)的連接處以及所述后封頭(5)與所述箱筒段內壁(4)和所述箱筒段外壁(12)的連接處均構成Y型環三角形夾芯壁連接結構(3)；所述Y型環三角形夾芯壁連接結構(3)是設置在所述箱筒段內壁(4)邊緣向上下兩端延伸預設的位置上，由前封頭邊緣延伸部或后封頭邊緣延伸部、箱筒段內壁邊緣延伸部、箱筒段外壁邊緣延伸部、橡膠薄膜膠接層(8)和所述加強筋(10)組成。

【技術特征摘要】
1.一種具有三角形夾芯壁的運載火箭低溫復合材料貯箱，所述貯箱包括前底蓋(1)、前封頭(2)、箱筒段內壁(4)、設置在所述箱筒段內壁(4)外側的箱筒段外壁(9)、后封頭(5)、后底蓋(6)和后底池殼(7)，所述前底蓋(1)與所述前封頭(2)連接，所述后封頭(5)與所述后底蓋(6)連接，所述前封頭(2)、所述后封頭(5)通過膠層分別固定與所述箱筒段內壁(4)的上下兩端，所述后底蓋(6)和所述后底池殼(7)螺栓連接；其特征在于，所述箱筒段外壁(9)與所述箱筒段內壁(4)之間設有加強筋(10)構成三角形夾芯壁結構，其中，所述前封頭(2)與所述箱筒段內壁(4)和所述箱筒段外壁(12)的連接處以及所述后封頭(5)與所述箱筒段內壁(4)和所述箱筒段外壁(12)的連接處均構成Y型環三角形夾芯壁連接結構(3)；所述Y型環三角形夾芯壁連接結構(3)是設置在所述箱筒段內壁(4)邊緣向上下兩端延伸預設的位置上，由前封頭邊緣延伸部或后封頭邊緣延伸部、箱筒段內壁邊緣延伸部、箱筒段外壁邊緣延伸部、橡膠薄膜膠接層(8)和所述加強筋(10)組成。2.根據權利要求1所述的具有三角形夾芯壁的運載火箭低溫復合材料貯箱，其特征在于，所述箱筒段內壁(4)與所述加強筋(10)的夾角α為50°-80°。3.根據權利要求2所述的具有三角形夾芯壁的運載火箭低溫復合材料貯箱，其特征在于，所述箱筒段內壁(4)與所述加強筋(10)的夾角α為60°-70°。4.根據權利要求2任意權利要求所述的具有三角形夾芯壁的運載火箭低溫復合材料貯箱，其特征在于，所述前底蓋(1)、所述前封頭(2)、所述箱筒段內壁(4)、所述加強筋(10)、所述箱筒段外壁(9)、所述后底蓋(6)、所述后底池殼(7)和所述后封頭(5)均由碳纖維增強樹脂基復合材料制成。5.一種權利要求1或4所述的具有三角形夾芯壁的運載火箭低溫復合材料貯箱的加工方法，其特征在于，所述貯箱采用纖...

【專利技術屬性】
技術研發人員：任明法，張笑聞，王博，方盈盈，叢杰，常鑫，曹廣龍，王琦，霍達，黃誠，
申請(專利權)人：大連理工大學，
類型：發明
國別省市：遼寧;21