本發(fā)明涉及一種航天器承力結(jié)構(gòu)，特別涉及一種環(huán)形復(fù)合材料貯箱，屬于航天器減重技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

未來航天器的發(fā)展主要以低成本、高運(yùn)載能力為目標(biāo)，要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)首先要解決的是結(jié)構(gòu)減重問題，而貯箱是飛行器主要的結(jié)構(gòu)部件之一，也是減重的關(guān)鍵部件。美國(guó)的研究表明，要達(dá)到可重復(fù)使用飛行器的飛行要求，必須使凈重/發(fā)射總重量≤0.092，0.092為凈重比，傳統(tǒng)的金屬貯箱凈重比高達(dá)0.097。而發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比隨著凈重的減少而逐漸提高，也就是說結(jié)構(gòu)重量的減輕直接會(huì)提高推進(jìn)系統(tǒng)的效率。雖然金屬貯箱已經(jīng)在各型航天器上獲得大量的應(yīng)用，但由于金屬材料屬于各向同性，所制備的貯箱都存在明顯的強(qiáng)度富余，無法進(jìn)一步減重。而碳纖維復(fù)合材料屬于各向異性材料，具有比強(qiáng)度高、抗疲勞強(qiáng)度優(yōu)良、破壞后無二次損傷的特點(diǎn)，最重要的是可以根據(jù)要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得在某一方向上具有最優(yōu)承載的優(yōu)勢(shì)，有效減輕結(jié)構(gòu)重量。通過金屬貯箱與復(fù)合材料貯箱的重量對(duì)比可知，復(fù)合材料貯箱較金屬貯箱減重達(dá)30％以上。因此，發(fā)展復(fù)合材料貯箱是實(shí)現(xiàn)航天系統(tǒng)減重目的的關(guān)鍵技術(shù)之一。

復(fù)合材料貯箱作為航天系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其研制技術(shù)直接決定其性能，而其性能又對(duì)航天系統(tǒng)有很大的影響，如(1)貯箱結(jié)構(gòu)效率：貯箱作為屬于重量比例較大的結(jié)構(gòu)部件，其結(jié)構(gòu)效率直接影響航天器有效載荷；(2)貯箱可靠性:直接關(guān)系整個(gè)航天器的成功發(fā)射與在軌安全運(yùn)行；(3)貯箱安全性：如果發(fā)生貯箱爆破的災(zāi)難性失效，產(chǎn)生的高壓氣體釋放、金屬或纖維束高速碎片將對(duì)航天器產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞；(4)貯箱應(yīng)力斷裂壽命：直接影響航天器在軌工作壽命，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證貯箱在服役期間滿足相應(yīng)的可靠度要求；(5)貯箱疲勞壽命：影響航天器重復(fù)使用貯箱的介質(zhì)充填次數(shù)。因此，針對(duì)復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)構(gòu)型方案進(jìn)行研究，結(jié)合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的工藝特點(diǎn)和材料性能，提出有效、可行、具有工程可實(shí)現(xiàn)性的方案設(shè)計(jì)。

圖1為現(xiàn)有常用的復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)方案，結(jié)構(gòu)承受的主要載荷通過梁框傳遞，貯箱a作為非主承力部件只承受飛行時(shí)自身及燃料過載以及貯箱增壓壓力。這個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)型的特點(diǎn)是貯箱a通過連接裙懸掛在法蘭連接框c上，只承受內(nèi)壓載荷。在法蘭連接框c上同時(shí)通過復(fù)合材料錐體支架b直接支撐有效載荷法蘭，對(duì)作為主承力部件的復(fù)合材料錐體支架b的剛度及重量要有較高要求。

還有一種承力式貯箱，貯箱也起到支撐有效載荷的作用，但是還要借助于傳力支撐框架，且重量較大，結(jié)構(gòu)效率低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種提高空間利用率和結(jié)構(gòu)效率的環(huán)形復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的一種環(huán)形復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)，包括中間復(fù)合材料貯箱、上連接裙、下連接裙、外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱和圓臺(tái)環(huán)狀體連接件；

所述中間復(fù)合材料貯箱包括圓桶形貯箱壁、隔板和內(nèi)凹式結(jié)構(gòu)；圓桶形貯箱壁的桶口朝下，隔板位于圓桶形貯箱壁的內(nèi)部，將圓桶形貯箱壁的內(nèi)部空間分成兩部分，隔板的上部用于存儲(chǔ)推進(jìn)劑；

所述內(nèi)凹式結(jié)構(gòu)是以圓桶形貯箱壁的桶口向桶內(nèi)延伸、穿過隔板的腔體，用于連接發(fā)動(dòng)機(jī)；推進(jìn)劑內(nèi)凹式結(jié)構(gòu)與隔板及下部對(duì)應(yīng)的圓桶形貯箱壁三者組成的空間，用于存儲(chǔ)氧化劑；

上連接裙和下連接裙分別固定在中間復(fù)合材料貯箱的頂部和底部；

外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱設(shè)置在中間復(fù)合材料貯箱外部，外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱內(nèi)分為上下兩部，上部用于存儲(chǔ)推進(jìn)劑，下部用于存儲(chǔ)氧化劑；

圓臺(tái)環(huán)狀體連接件套在圓桶形貯箱壁的下部，且位于外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱與圓桶形貯箱壁之間，圓臺(tái)環(huán)狀體連接件同時(shí)與外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱和圓桶形貯箱壁固定連接。

優(yōu)選的是，所述圓臺(tái)環(huán)狀體連接件為可自動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的是，所述復(fù)合材料貯箱的環(huán)向和軸向的鋪層比例為1：a，其中a的取值范圍為0.5～1.5。

優(yōu)選的是，所述內(nèi)凹式結(jié)構(gòu)采用鋁合金焊接式預(yù)制結(jié)構(gòu)或碳纖維模壓結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的是，所述上連接裙和下連接裙在纏繞時(shí)均與復(fù)合材料貯箱一體成型。

優(yōu)選的是，所述上連接裙和下連接裙均為采用加筋纏繞復(fù)合材料的承壓筒。

優(yōu)選的是，所述內(nèi)部隔板在纏繞前將其用碳纖維織物預(yù)先成型，以預(yù)置體的方式作為模具放置在容器內(nèi)部。

本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明的貯箱主體包括中間復(fù)合材料貯箱1和外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱，與只有一個(gè)貯箱的結(jié)構(gòu)相比，容積增大了一倍，但總重量?jī)H增加70％，這是由于其外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱的圓筒段進(jìn)一步增大，因此，相對(duì)提高了貯箱承載效率所致。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)在外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱內(nèi)部的推進(jìn)劑和氧化劑耗盡后，可以主動(dòng)拋棄圓臺(tái)環(huán)狀體連接件，然后拋掉外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱，可以在發(fā)射過程中進(jìn)一步降低發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，在保證了空間利用率的同時(shí)，使得火箭的推重比進(jìn)一步提高。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有常用的復(fù)合材料貯箱的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2為本發(fā)明的環(huán)形復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)的原理圖。

圖3為圖2的頂面結(jié)構(gòu)原理圖。

圖4為圖2的底面結(jié)構(gòu)原理圖。

圖5為圖2的側(cè)面結(jié)構(gòu)原理圖。

圖6為圖5的分解示意圖。

圖7為圖2的軸向剖面示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不作為本發(fā)明的限定。

結(jié)合圖1至圖7說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的一種環(huán)形復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)，包括中間復(fù)合材料貯箱1、上連接裙2、下連接裙3、外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱5和圓臺(tái)環(huán)狀體連接件6；

所述中間復(fù)合材料貯箱1包括圓桶形貯箱壁1-1、隔板1-2和內(nèi)凹式結(jié)構(gòu)1-3；圓桶形貯箱壁1-1的桶口朝下，隔板1-2位于圓桶形貯箱壁1-1的內(nèi)部，將圓桶形貯箱壁1-1的內(nèi)部空間分成兩部分，隔板1-2的上部用于存儲(chǔ)推進(jìn)劑；

所述內(nèi)凹式結(jié)構(gòu)1-3是以圓桶形貯箱壁1-1的桶口向桶內(nèi)延伸、穿過隔板1-2的腔體，用于連接發(fā)動(dòng)機(jī)4；內(nèi)凹式結(jié)構(gòu)1-3與隔板1-2及下部對(duì)應(yīng)的圓桶形貯箱壁1-1三者組成的空間，用于存儲(chǔ)氧化劑；

上連接裙2和下連接裙3分別設(shè)置在復(fù)合材料貯箱的頂部和底部；上連接裙2和下連接裙3分別與有效載荷和火箭進(jìn)行螺栓連接。

本實(shí)施方式推進(jìn)劑和氧化劑箱一體式環(huán)形設(shè)計(jì)并且承受載荷的結(jié)構(gòu)，這樣能充分利用結(jié)構(gòu)材料，減少結(jié)構(gòu)的體積和質(zhì)量，提升結(jié)構(gòu)效率。為了降低貯箱承受的載荷，在貯箱上部貯存推進(jìn)劑，下部存貯氧化劑，以減少內(nèi)部隔板1-2所承受的壓力。本實(shí)施方式的貯箱結(jié)構(gòu)為了盡量降低軸向高度，采用內(nèi)凹式結(jié)構(gòu)1-3，將發(fā)動(dòng)機(jī)4坐入貯箱內(nèi)部以盡量降低軸向高度。

外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱5套在圓桶形貯箱壁1-1的外部，圓臺(tái)環(huán)狀體連接件6套在圓桶形貯箱壁1-1的下部，且位于外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱5與圓桶形貯箱壁1-1之間，外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱5和圓桶形貯箱壁1-1通過圓臺(tái)環(huán)狀體連接件6固定連接。

本實(shí)施方式中為了對(duì)中間復(fù)合材料貯箱1的傳力造成盡量少的影響，因此，使外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱5與中間復(fù)合材料貯箱1采用圓臺(tái)環(huán)狀體連接件6在下連接裙3處進(jìn)行螺栓連接。

本實(shí)施方式的外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱5設(shè)置在中間復(fù)合材料貯箱1外部，外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱5內(nèi)分為上下兩部，上部用于存儲(chǔ)推進(jìn)劑，下部用于存儲(chǔ)氧化劑；

本實(shí)施方式的貯箱主體包括中間復(fù)合材料貯箱1和外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱5，用于貯存推進(jìn)劑和氧化劑，與只有一個(gè)貯箱1的結(jié)構(gòu)相比，容積增大了一倍，但總重量?jī)H增加70％，并且在環(huán)形貯箱排空后可以拋棄以進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)重量，因此，可以大大提高結(jié)構(gòu)效率，同時(shí)為其他小型器材填充提供了空余空間，從而提高了空間利用率。

本實(shí)施方式的貯箱構(gòu)型載荷傳遞情況為：在上升階段，中間復(fù)合材料貯箱1的下連接裙3->中間復(fù)合材料貯箱1封頭->中間復(fù)合材料貯箱1圓桶形貯箱壁1-1->中間復(fù)合材料貯箱1的上連接裙2->有效載荷。這部分載荷包括中間貯箱自重和有效載荷。

第二部分是外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱5的自重，直接作用在圓臺(tái)環(huán)狀體連接件6。由于中間復(fù)合材料貯箱1和外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱5的連接方式，在上升階段兩個(gè)貯箱其實(shí)屬于分開受力。

在軌階段，通過中間復(fù)合材料貯箱1內(nèi)凹式結(jié)構(gòu)1-3中的發(fā)動(dòng)機(jī)4產(chǎn)生推力，推力通過內(nèi)凹式結(jié)構(gòu)1-3傳遞到下連接裙3至圓桶形貯箱壁1-1，再通過圓桶形貯箱壁1-1和上連接裙2傳遞至有效載荷。同時(shí)在下連接裙3處有一部分通過連接火箭的下法蘭和圓臺(tái)環(huán)狀體連接件6傳遞至外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱5。

由于在軌條件下發(fā)動(dòng)機(jī)4的位置導(dǎo)致該條件下中間復(fù)合材料貯箱1和外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱5通過連接火箭的下法蘭和圓臺(tái)環(huán)狀體連接件6進(jìn)行傳力，為此，需要盡量降低下連接裙3的高度，避免出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

優(yōu)選實(shí)施例中，圓臺(tái)環(huán)狀體連接件6與外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱5活動(dòng)連接。

本實(shí)施方式的外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱為可拆卸結(jié)構(gòu)，當(dāng)其中的推進(jìn)劑使用完后，可自動(dòng)拆卸圓臺(tái)環(huán)狀體連接件6，然后拋掉外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱，從而減少結(jié)構(gòu)重量，有效提高結(jié)構(gòu)效率。

本實(shí)施方式復(fù)合材料貯箱的設(shè)計(jì)方法：

對(duì)于復(fù)合材料貯箱，由于其厚度很薄，模量較低，因此在貯箱工作過程中，可以忽略金屬內(nèi)襯的承載作用，認(rèn)為鋁合金只起氣密作用。復(fù)合材料貯箱在纏繞工藝過程中的纏繞線型設(shè)計(jì)和鋪層順序設(shè)計(jì)往往先于工藝設(shè)計(jì)，造成設(shè)計(jì)與工藝脫節(jié)。鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果在工藝上往往無法滿足纖維穩(wěn)定的要求，導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)無法實(shí)現(xiàn)，需要重新設(shè)計(jì)，并進(jìn)行大量的試驗(yàn)工藝摸索。通過對(duì)封頭纏繞軌跡的計(jì)算，可以確定理論優(yōu)化設(shè)計(jì)的邊界條件，大幅度減少試錯(cuò)試驗(yàn)的數(shù)量，降低成本的同時(shí)，可以得到可行的最優(yōu)方案。

復(fù)合材料貯箱在進(jìn)行剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)遇到封頭建模不準(zhǔn)確的問題，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)計(jì)算存在誤差。同時(shí)以往設(shè)計(jì)纏繞線型，在封頭上往往采用測(cè)地線或短程線來規(guī)劃線型，因此，導(dǎo)致線型設(shè)計(jì)余地較小，線型受到芯模尺寸，封頭型面等限制因素的控制。為了得到合理的線型，有時(shí)甚至需要修改內(nèi)襯尺寸，造成大量的重復(fù)計(jì)算，這種現(xiàn)象在不等極孔貯箱的纏繞過程中尤其明顯。通過求解纏繞軌跡在封頭型面的穩(wěn)定方程，配合纏繞角方程，可以有效的解決封頭與筒身交接處纏繞角固定，導(dǎo)致線型設(shè)計(jì)困難的難題。在封頭上推導(dǎo)出一個(gè)纖維可以進(jìn)行穩(wěn)定非測(cè)地線纏繞的區(qū)域，將使得在該區(qū)域內(nèi)存在一個(gè)筒身纏繞角的變化范圍，配合纖維纏繞不離縫不重疊條件，使得線型設(shè)計(jì)自由度大大增加，同時(shí)根據(jù)封頭受力情況，改變封頭上纖維軌跡走向，設(shè)計(jì)出更加符合封頭受力的線型軌跡。

復(fù)合材料貯箱在封頭處的纏繞層由于連續(xù)纖維纏繞的原因，在封頭極孔附近將產(chǎn)生纖維堆積現(xiàn)象，這種纖維堆積將導(dǎo)致封頭厚度出現(xiàn)不連續(xù)的非線性變化，極孔附近復(fù)合材料堆高限制法蘭的設(shè)計(jì)尺寸，以及復(fù)合材料在纏繞過程中纖維滑線、架空等現(xiàn)象。此外，如何精確預(yù)測(cè)各種纏繞線型和纏繞層分布下的封頭厚度分布，對(duì)復(fù)合材料封頭有限元建模的精確性也影響極大。因此，通過對(duì)纏繞厚度的精確預(yù)測(cè)，同時(shí)對(duì)每種線型在封頭上的軌跡分布進(jìn)行精確計(jì)算后，可以得到每種線型在每個(gè)單元范圍內(nèi)的厚度堆積情況和纏繞角精確值，然后再逐點(diǎn)代入有限元單元中，可進(jìn)行更加精確的有限元計(jì)算。

在以上工作的基礎(chǔ)上，通過聯(lián)用ansys和迭代計(jì)算程序以及纏繞線型表，設(shè)計(jì)不同的纏繞線型，進(jìn)而以應(yīng)變均勻?yàn)樵O(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)各種允許線型下的變形情況進(jìn)行計(jì)算并優(yōu)選，達(dá)到封頭的剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而完成整個(gè)貯箱的設(shè)計(jì)。

另外，本實(shí)施方式的外部環(huán)形復(fù)合材料貯箱5還需要額外考慮環(huán)形容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

優(yōu)選實(shí)施例中，所述內(nèi)凹式結(jié)構(gòu)1-3采用鋁合金焊接式預(yù)制結(jié)構(gòu)或碳纖維模壓結(jié)構(gòu)。

本實(shí)施方式中，貯箱內(nèi)部的隔板在制備時(shí)應(yīng)使得下部貯存氧化劑的箱體成為一個(gè)整體，由于考慮加注時(shí)可能存在先后順序，因此其受力形式在設(shè)計(jì)時(shí)采用冗余設(shè)計(jì)，即既能承受內(nèi)壓載荷，同時(shí)可以單獨(dú)承受上部貯存的燃料向下軸壓，在此設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)考慮復(fù)合材料外壓容器的設(shè)計(jì)。由于在工藝上要成型內(nèi)部隔板1-2，需要在纏繞前將內(nèi)部隔板1-2用碳纖維織物預(yù)先成型，以預(yù)置體的方式作為模具放置在貯箱內(nèi)部，而碳纖維織物一般按照各向同性材料計(jì)算，因此，直接引用金屬外壓容器的各項(xiàng)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行厚度的初步設(shè)計(jì)，然后實(shí)際的隔板和內(nèi)凹段優(yōu)化厚度還需要通過有限元分析來進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

優(yōu)選實(shí)施例中，所述復(fù)合材料貯箱的環(huán)向和軸向鋪層比例為1:0.5～1:1.5。由于在該環(huán)形復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)構(gòu)型中，貯箱作為承力部件，工作時(shí)不僅要承受內(nèi)部燃料過載以及貯箱增壓壓力，而且還要在軸向上承受一定的載荷作用，所以，對(duì)于該環(huán)形復(fù)合材料貯箱構(gòu)型，要增加一定的軸向鋪層比例，通常將該貯箱環(huán)向和軸向的鋪層比例設(shè)計(jì)為1:0.5～1:1.5較為合理。

優(yōu)選實(shí)施例中，上連接裙和下連接裙在纏繞時(shí)均與復(fù)合材料貯箱一體成型。

優(yōu)選實(shí)施例中，上連接裙和下連接裙均為采用加筋纏繞復(fù)合材料的承壓筒。

雖然在本文中參照了特定的實(shí)施方式來描述本發(fā)明，但是應(yīng)該理解的是，這些實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的原理和應(yīng)用的示例。因此，應(yīng)該理解的是，可以對(duì)示例性的實(shí)施例進(jìn)行許多修改，并且可以設(shè)計(jì)出其他的布置，只要不偏離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。應(yīng)該理解的是，可以通過不同于原始權(quán)利要求所描述的方式來結(jié)合不同的從屬權(quán)利要求和本文中所述的特征。還可以理解的是，結(jié)合單獨(dú)實(shí)施例所描述的特征可以使用在其他所述實(shí)施例中。