[發明專利]一種環形復合材料貯箱結構

有效

• 申請號: 201710203653.3
• 申請日: 2017-03-30
• 公開（公告）號: CN107097979B
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發明（設計）人: 楊帆;徐忠海;朱欣如;宋杰人;牛中原;王榮國;矯維成;劉文博;郝立峰;洪毅;江龍;李琳琳
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B64G1/40
• 分類號: B64G1/40
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 岳昕

本發明提供一種提高空間利用率和結構效率的環形復合材料貯箱結構，屬于航天器減重技術領域。本發明包括中間復合材料貯箱、上連接裙、下連接裙、外部環形復合材料貯箱和圓臺環狀體連接件；所述中間復合材料貯箱的內部通過隔板分成兩部，上部用于存儲推進劑，在中間復合材料貯箱的底部向上穿過隔板形成內凹式結構，下部與內凹式結構之間用于存儲氧化劑；上連接裙和下連接裙分別固定在中間復合材料貯箱的頂部和底部；外部環形復合材料貯箱設置在中間復合材料貯箱外部，外部環形復合材料貯箱內分為上下兩部，上部用于存儲推進劑，下部用于存儲氧化劑；圓臺環狀體連接件用于固定連接外部環形復合材料貯箱和圓桶形貯箱壁。

技術領域

本發明涉及一種航天器承力結構，特別涉及一種環形復合材料貯箱，屬于航天器減重技術領域。

背景技術

未來航天器的發展主要以低成本、高運載能力為目標，要達到這個目標首先要解決的是結構減重問題，而貯箱是飛行器主要的結構部件之一，也是減重的關鍵部件。美國的研究表明，要達到可重復使用飛行器的飛行要求，必須使凈重/發射總重量≤0.092，0.092為凈重比，傳統的金屬貯箱凈重比高達0.097。而發動機的推重比隨著凈重的減少而逐漸提高，也就是說結構重量的減輕直接會提高推進系統的效率。雖然金屬貯箱已經在各型航天器上獲得大量的應用，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度富余，無法進一步減重。而碳纖維復合材料屬于各向異性材料，具有比強度高、抗疲勞強度優良、破壞后無二次損傷的特點，最重要的是可以根據要求進行優化設計，使得在某一方向上具有最優承載的優勢，有效減輕結構重量。通過金屬貯箱與復合材料貯箱的重量對比可知，復合材料貯箱較金屬貯箱減重達30％以上。因此，發展復合材料貯箱是實現航天系統減重目的的關鍵技術之一。

復合材料貯箱作為航天系統中的關鍵部件，其研制技術直接決定其性能，而其性能又對航天系統有很大的影響，如(1)貯箱結構效率：貯箱作為屬于重量比例較大的結構部件，其結構效率直接影響航天器有效載荷；(2)貯箱可靠性:直接關系整個航天器的成功發射與在軌安全運行；(3)貯箱安全性：如果發生貯箱爆破的災難性失效，產生的高壓氣體釋放、金屬或纖維束高速碎片將對航天器產生嚴重的破壞；(4)貯箱應力斷裂壽命：直接影響航天器在軌工作壽命，合理的結構設計保證貯箱在服役期間滿足相應的可靠度要求；(5)貯箱疲勞壽命：影響航天器重復使用貯箱的介質充填次數。因此，針對復合材料貯箱結構構型方案進行研究，結合復合材料結構的工藝特點和材料性能，提出有效、可行、具有工程可實現性的方案設計。

圖1為現有常用的復合材料貯箱結構方案，結構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自身及燃料過載以及貯箱增壓壓力。這個結構構型的特點是貯箱a通過連接裙懸掛在法蘭連接框c上，只承受內壓載荷。在法蘭連接框c上同時通過復合材料錐體支架b直接支撐有效載荷法蘭，對作為主承力部件的復合材料錐體支架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，結構效率低。

發明內容

本發明提供一種提高空間利用率和結構效率的環形復合材料貯箱結構。

本發明的一種環形復合材料貯箱結構，包括中間復合材料貯箱、上連接裙、下連接裙、外部環形復合材料貯箱和圓臺環狀體連接件；

所述中間復合材料貯箱包括圓桶形貯箱壁、隔板和內凹式結構；圓桶形貯箱壁的桶口朝下，隔板位于圓桶形貯箱壁的內部，將圓桶形貯箱壁的內部空間分成兩部分，隔板的上部用于存儲推進劑；

所述內凹式結構是以圓桶形貯箱壁的桶口向桶內延伸、穿過隔板的腔體，用于連接發動機；推進劑內凹式結構與隔板及下部對應的圓桶形貯箱壁三者組成的空間，用于存儲氧化劑；

上連接裙和下連接裙分別固定在中間復合材料貯箱的頂部和底部；