[发明专利]具有三角形夹芯壁的运载火箭低温复合材料贮箱及其加工方法

说明书

本发明提供一种具有三角形夹芯壁的运载火箭低温复合材料贮箱，贮箱包括前底盖、前封头、箱筒段内外壁、后封头、后底盖和后底池壳，其特征在于，箱筒段外壁与箱筒段内壁之间设有加强筋构成三角形夹芯壁结构，其中，前封头与箱筒段内壁和箱筒段外壁的连接处以及后封头与箱筒段内壁和所述箱筒段外壁的连接处均构成Y型环三角形夹芯壁连接结构。本发明还公开了上述贮箱的加工方法，采用纤维缠绕成型结合纤维铺放成型胶接共固化整体成型工艺。本发明主要利用在贮箱封头段与箱筒段连接处剪应力高的位置设置三角形夹芯壁结构，加强连接处的剪切强度，具有提高了贮箱轴向承载能力，减少结构装配复杂性，提高生产效率等效果。

技术领域

本发明涉及一种低温存储液体的贮箱及其加工方法，特别是指具有三角形夹芯壁的运载火箭低温复合材料贮箱，可替代传统铝-锂金属贮箱。应用于运载火箭中低温推进剂的盛放、前后部件的连接、弹体完整外形的保持等。

背景技术

国内制造出的液态推进剂贮箱普遍采用金属材料，目前航天部门为了实现运载火箭整体轻质化，采用如铝-锂合金等具有高比强度、高比刚度的先进铝合金^[1]。金属贮箱的制造过程大体如下：对机械或化学铣切的网格形金属平板进行机械加工，填充聚乙烯方块，从而进行贮箱壁成型。壁板成型成适当的形状以后，将其装配在夹具上，采用熔化极惰性气体保护焊进行焊接。接着，将拉伸成型的挤压角材对焊到贮箱筒壳的两端，分别用九块球面三角形瓜瓣对焊成两个箱底，并修整焊缝，得到整体贮箱结构^[2]。

由于传统贮箱采用金属材料且制造过程涉及以下广泛的工艺：热处理、表面处理、钣金成形、化学铣切、机械加工、铆接、焊接等^[2]。因此传统金属贮箱存在的主要缺陷有：结构质量大、工艺复杂多样、制造周期长、成本昂贵。

而由于碳纤维增强树脂基复合材料具有轻质高强等优良性能，发达国家中复合材料贮箱的使用已经十分普遍。复合材料推进器贮箱成型工艺主要采用以下三种：手糊成型，缠绕成型和铺放成型。手糊成型是用纤维增强材料和树脂胶液在模具上铺敷，室温(或加温)、无压(或低压)条件下固化，脱模成制品的成型工艺方法。缠绕成型是将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强塑料制品的成型工艺过程^[3]。铺放成型工艺采用有隔离衬纸的单向预浸带，在铺带头中完成预定形状的切割、定位，加热后按照一定设计方向在压辊作用下，直接铺叠到曲率半径较大且变化缓慢的模具表面^[4]。

单独采用上述三种工艺存在以下缺陷：手糊成型的缺陷：生产效率低；产品质量不易控制、性能稳定性差；产品中纤维体分比低，力学性能差。纤维缠绕成型的缺陷：缠绕成型适应性小，不能缠绕任意结构形式的制品；缠绕成型需要有缠绕机，芯模，固化加热炉，脱模机及熟练的技术工人，造价昂贵、技术要求高^[3]。相比于以上成型技术，自动铺放成型技术是一种先进复合材料构件低成本、自动化、数字化制造技术。然而，自动铺放成型技术的关键在于需要有成型的自动铺放设备，国内相关研究尚处于起步阶段，只能完成一些结构简单或小尺寸复合材料结构，而大型复合材料结构还是以手工铺放成型为主，因此，国内制造工艺难以完成贮箱整体铺放成型^[5]。

在贮箱构型方面，为了防止内部推进剂液体泄漏，国外成型的运载火箭复合材料推进剂贮箱通常在复合材料贮箱内部嵌入金属内衬结构。对于金属内衬复合材料贮箱，所含金属内衬不仅增加了贮箱的重量，同时，还要考虑金属内衬与复合材料贮箱内壁之间的连接问题。含内衬复合材料贮箱的设计一般采用网格理论，它忽略了树脂基体对整个复合材料层合板刚度的贡献，即认为纤维承受了全部的壳体薄膜应力^[1]。在设计含金属内衬复合材料贮箱时，只需保证结构的强度要求，液体推进剂密封的功能性要求则由内衬来承担，即结构强度设计与液体推进剂的密封性功能设计是可分离的。