一種航天用球形復(fù)合材料氣瓶的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種航天用球形氣瓶，具體的，涉及一種薄壁金屬內(nèi)襯/纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶。
【背景技術(shù)】
[0002]復(fù)合材料氣瓶因其較高的結(jié)構(gòu)效率和未爆先漏的安全失效模式在航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為航天系統(tǒng)最重要的單機(jī)設(shè)備之一。隨著航天對(duì)結(jié)構(gòu)效率、可靠性和安全性等性能要求的不斷提高、高性能纖維纏繞材料及其纏繞工藝技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料氣瓶完全取代金屬材料氣瓶指日可待。
[0003]航天用復(fù)合材料氣瓶的用途主要是攜帶高壓氣體介質(zhì)，為航天系統(tǒng)提供工作氣源。復(fù)合材料氣瓶發(fā)展始于20世紀(jì)50年代，由早期的橡膠內(nèi)襯和玻璃纖維復(fù)合材料層逐步發(fā)展到今天的金屬內(nèi)襯和Kevlar纖維、碳纖維等高性能纖維復(fù)合材料層，其結(jié)構(gòu)效率、可靠性和安全性等綜合性能得到了較大的提高。
[0004]目前，航天系統(tǒng)使用的復(fù)合材料氣瓶幾乎都是柱形復(fù)合材料氣瓶，球形復(fù)合材料氣瓶尚未獲得實(shí)用。這主要是因?yàn)橹螐?fù)合材料氣瓶設(shè)計(jì)和制造比較容易，技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)效率高，研制和使用經(jīng)驗(yàn)豐富；而球形復(fù)合材料氣瓶設(shè)計(jì)和制造難度大，技術(shù)不成熟，缺乏研制和使用經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)效率低于柱形復(fù)合材料氣瓶。因而，新研制的航天系統(tǒng)為了減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、提高可靠性和安全性、降低研制風(fēng)險(xiǎn)一般首選柱形復(fù)合材料氣瓶。
[0005]然而，有些航天系統(tǒng)因其特殊的安裝空間限制需要采用球形氣瓶，但由于球形復(fù)合材料氣瓶尚不成熟，所以不得不使用金屬材料氣瓶。這既增加了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，又降低了安全性。鑒于此，航天系統(tǒng)迫切需要發(fā)展結(jié)構(gòu)效率高、安全性好、成本低等綜合性能高的球形復(fù)合材料氣瓶，以適應(yīng)航天事業(yè)的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了滿足航天系統(tǒng)特殊的安裝空間需要、嚴(yán)苛的結(jié)構(gòu)質(zhì)量、高可靠性和安全性等要求，本發(fā)明提供了一種航天用球形復(fù)合材料氣瓶。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0008]—種航天用球形復(fù)合材料氣瓶，包括金屬內(nèi)襯、敷設(shè)于金屬內(nèi)襯外表面的膠粘劑層和纏繞在膠粘劑層外表面的復(fù)合材料層，所述金屬內(nèi)襯由球殼、接管嘴和凸臺(tái)組成，接管嘴和凸臺(tái)分別位于球殼軸線的兩端頂點(diǎn)，球殼的薄膜區(qū)采用等壁厚設(shè)計(jì)，在球殼與接管嘴和凸臺(tái)的連接過渡區(qū)域采用漸變厚度補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，所述膠粘劑層均勻敷設(shè)在球殼的外表面，將球殼和復(fù)合材料層牢固連接，并防止球殼和復(fù)合材料層直接接觸。
[0009]優(yōu)選地，所述金屬內(nèi)襯的材料為鋁合金6061，所述球殼、接管嘴和凸臺(tái)采用沖壓、旋壓和機(jī)械加工等工藝技術(shù)一體成形，無縫連接。
[0010]優(yōu)選地，所述金屬內(nèi)襯的材料為鈦合金TAO、TAl、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TA7、TA8、TA9、TAlO或TC4中的一種，所述球殼11、接管嘴12和凸臺(tái)13采用鍛造、機(jī)械加工成形，焊接裝配。
[0011]優(yōu)選地，所述膠粘劑層由具有較強(qiáng)粘結(jié)強(qiáng)度和良好絕緣性能的膠粘劑薄膜或液體膠粘劑涂層經(jīng)固化制成。
[0012]優(yōu)選地，所述復(fù)合材料層采用多向、多層、平面纏繞準(zhǔn)各向同性纏繞層設(shè)計(jì)。
[0013]優(yōu)選地，所述復(fù)合材料層由高性能碳纖維、PBO纖維和Kevlar纖維浸潤環(huán)氧樹脂液后纏繞在球殼之外的膠粘劑層上經(jīng)固化而成。
[0014]本發(fā)明提出的球形復(fù)合材料氣瓶相較于球形金屬氣瓶具有結(jié)構(gòu)質(zhì)量小、可靠性高、安全性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，解決了航天系統(tǒng)復(fù)合材料氣瓶安裝空間適應(yīng)性難題，豐富了航天復(fù)合材料氣瓶的類型。膠粘劑層將金屬內(nèi)襯的球殼與復(fù)合材料層牢固連接，有效地提高了金屬內(nèi)襯的薄壁球殼在復(fù)合材料層纏繞、自緊、固化、液壓試驗(yàn)及使用過程中的抗失穩(wěn)能力和抗疲勞能力。此外，通過多向、多層、平面纏繞準(zhǔn)各向同性纏繞層設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)最小結(jié)構(gòu)質(zhì)量優(yōu)化設(shè)計(jì)。本發(fā)明所得的球形復(fù)合材料氣瓶具有輕質(zhì)、高可靠、高安全、低成本和適應(yīng)特殊安裝空間等特點(diǎn)，可廣泛用于導(dǎo)彈武器、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星、飛船、空間站等航天領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一種航天用球形復(fù)合材料氣瓶的一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2為圖1中A的剖面圖。
[0017]圖3為本發(fā)明實(shí)施例一種航天用球形復(fù)合材料氣瓶的另一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖4為圖3中B的剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0020]本發(fā)明實(shí)施例提供了一種航天用球形復(fù)合材料氣瓶，由金屬內(nèi)襯1、敷設(shè)于金屬內(nèi)襯I外表面的膠粘劑層2和纏繞在膠粘劑層2外表面的復(fù)合材料層3構(gòu)成。根據(jù)金屬內(nèi)襯I的結(jié)構(gòu)和制造工藝，有兩種實(shí)施方式。
[0021]實(shí)施例1
[0022]如圖1-2所示，包括如下步驟:
[0023]步驟一:金屬內(nèi)襯I由球殼11、接管嘴12和凸臺(tái)13組成，接管嘴和凸臺(tái)13分別位于球殼11軸線的兩端頂點(diǎn)。
[0024]步驟二:制備金屬內(nèi)襯I的材料為鋁合金6061，構(gòu)成金屬內(nèi)襯I的球殼11、接管嘴12和凸臺(tái)13采用沖壓、旋壓和機(jī)械加工等工藝一體成形，無縫連接。
[0025]步驟三:球殼11的薄膜區(qū)壁厚相等，在球殼11與接管嘴12和凸臺(tái)13的連接過渡區(qū)域厚度逐漸增大。
[0026]步驟四:膠粘劑層2按照預(yù)先規(guī)定的厚度均勻敷設(shè)在球殼11的外表面，目的是將金屬內(nèi)襯I的球殼11和復(fù)合材料層3牢固連接，并防止球殼11和復(fù)合材料層3直接接觸，避免發(fā)生電偶腐蝕。
?0027] 步驟五:復(fù)合材料層3的制備是將高性能的碳纖維、PBO纖維和Kevlar纖維等纏繞纖維浸潤環(huán)氧樹脂液后，采用多向、多層、平面纏繞準(zhǔn)各向同性設(shè)計(jì)纏繞在球殼11之外的膠粘劑層2表面。環(huán)氧樹脂液是將環(huán)氧樹脂與固化劑、促進(jìn)劑和增塑劑等按照一定比例混合而成的膠狀液體。
[0028]步驟六:將步驟五纏繞成形后的氣瓶放入固化爐中對(duì)膠粘劑層2和復(fù)合材料層3進(jìn)行加熱固化，將金屬內(nèi)襯1、膠粘劑層2和復(fù)合材料層3牢固連結(jié)，形成完整的球形復(fù)合材料氣瓶。
[0029]步驟七:將固化后的復(fù)合材料氣瓶按照規(guī)定的壓力進(jìn)行液壓自緊，制成滿足要求的球形復(fù)合材料氣瓶。
[0030]實(shí)施例2
[0031]如圖3-4所示，包括如下步驟:
[0032]步驟一:金屬內(nèi)襯I由球殼11、接管嘴12和凸臺(tái)13組成，接管嘴和凸臺(tái)13分別位于球殼11軸線的兩端頂點(diǎn)。
[0033]步驟二:制備金屬內(nèi)襯I的材料為鈦合金TAO、TAl、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TA7、TA8、TA9、TAlO和TC4中的一種，構(gòu)成金屬內(nèi)襯I的球殼11、接管嘴12和凸臺(tái)13采用鍛造、機(jī)械加工成形，在金屬內(nèi)襯I球殼11的赤道處進(jìn)行焊接裝配。
[0034]步驟三:球殼11的薄膜區(qū)壁厚相等，在球殼11與接管嘴12和凸臺(tái)13的連接過渡區(qū)域厚度逐漸增大。
[0035]步驟四:膠粘劑層2按照預(yù)先規(guī)定的厚度均勻敷設(shè)在球殼11的外表面，目的是將金屬內(nèi)襯I的球殼11和復(fù)合材料層3牢固連接，并防止球殼11和復(fù)合材料層3直接接觸，避免發(fā)生電偶腐蝕。
[0036]步驟五:復(fù)合材料層3的制備是將高性能的碳纖維、PBO纖維和Kevlar纖維等纏繞纖維浸潤環(huán)氧樹脂液后，采用多向、多層、平面纏繞準(zhǔn)各向同性設(shè)計(jì)纏繞在球殼11之外的膠粘劑層2表面。環(huán)氧樹脂液是將環(huán)氧樹脂與固化劑、促進(jìn)劑和增塑劑等按照一定比例混合而成的膠狀液體。
[0037]步驟六:將步驟五纏繞成形后的氣瓶放入固化爐中對(duì)膠粘劑層2和復(fù)合材料層3進(jìn)行加熱固化，將金屬內(nèi)襯1、膠粘劑層2和復(fù)合材料層3牢固連結(jié)，形成完整的球形復(fù)合材料氣瓶。
[0038]步驟七:將固化后的復(fù)合材料氣瓶按照規(guī)定的壓力進(jìn)行液壓自緊，制成滿足要求的球形復(fù)合材料氣瓶。
[0039]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種航天用球形復(fù)合材料氣瓶，其特征在于，包括金屬內(nèi)襯(I)、敷設(shè)于金屬內(nèi)襯(I)外表面的膠粘劑層(2)和纏繞在膠粘劑層(2)外表面的復(fù)合材料層(3)，所述金屬內(nèi)襯(I)由球殼(11)、接管嘴(12)和凸臺(tái)(13)組成，接管嘴(12)和凸臺(tái)(13)分別位于球殼(11)軸線的兩端頂點(diǎn)，球殼(11)的薄膜區(qū)采用等壁厚設(shè)計(jì)，在球殼(11)與接管嘴(12)和凸臺(tái)(13)的連接過渡區(qū)域采用漸變厚度補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，所述膠粘劑層(2)均勻敷設(shè)在球殼(11)的外表面，將球殼(11)和復(fù)合材料層(3)牢固連接，并防止球殼(11)和復(fù)合材料層(3)直接接觸。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形復(fù)合材料氣瓶，其特征在于，所述金屬內(nèi)襯(I)的材料為鋁合金6061，所述球殼(11)、接管嘴(12)和凸臺(tái)(13)—體成形。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形復(fù)合材料氣瓶，其特征在于，所述金屬內(nèi)襯(I)的材料為鈦合金TAO、TA 1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TA7、TA8、TA9、TA 1或TC4 中的一種，所述球殼(11)、接管嘴(12)和凸臺(tái)(13)采用鍛造、機(jī)械加工成形，焊接裝配。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形復(fù)合材料氣瓶，其特征在于，所述膠粘劑層(2)由具有較強(qiáng)粘結(jié)強(qiáng)度和良好絕緣性能的膠粘劑薄膜或液體膠粘劑涂層經(jīng)固化制成。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形復(fù)合材料氣瓶，其特征在于，所述復(fù)合材料層(3)采用多向、多層、平面纏繞準(zhǔn)各向同性纏繞層設(shè)計(jì)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形復(fù)合材料氣瓶，其特征在于，所述復(fù)合材料層(3)由高性能碳纖維、PBO纖維和Kevlar纖維浸潤環(huán)氧樹脂液后纏繞在球殼(11)之外的膠粘劑層(2)上經(jīng)固化而成。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種航天用球形復(fù)合材料氣瓶，包括金屬內(nèi)襯、敷設(shè)于金屬內(nèi)襯外表面的膠粘劑層和纏繞在膠粘劑層外表面的復(fù)合材料層，所述金屬內(nèi)襯由球殼、接管嘴和凸臺(tái)組成，接管嘴和凸臺(tái)分別位于球殼軸線的兩端頂點(diǎn)，球殼的薄膜區(qū)采用等壁厚設(shè)計(jì)，在球殼與接管嘴和凸臺(tái)的連接過渡區(qū)域采用漸變厚度補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，所述膠粘劑層均勻敷設(shè)在球殼的外表面，將球殼和復(fù)合材料層牢固連接，并防止球殼和復(fù)合材料層直接接觸。本發(fā)明解決了現(xiàn)有復(fù)合材料氣瓶結(jié)構(gòu)形式單一、金屬氣瓶結(jié)構(gòu)效率低及安裝空間適應(yīng)性差等問題，取得了結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、可靠性高、安全性好和空間適應(yīng)性強(qiáng)等良好效益。
【IPC分類】F17C13/00, F17C1/06
【公開號(hào)】CN105674041
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610059330
【發(fā)明人】晏飛, 沈俊, 王婷婷, 陳軍軍, 田桂, 吳慶峰
【申請(qǐng)人】上?？臻g推進(jìn)研究所
【公開日】2016年6月15日
【申請(qǐng)日】2016年1月28日