[发明专利]悬挂式复合材料贮箱结构

说明书

本发明提供一种降低结构重量、提高结构效率的悬挂式复合材料贮箱结构，属于航天器减重技术领域。本发明包括四个复合材料贮箱、环形框和十字梁；十字梁固定在环形框的内侧，形成四个框梁支架，框梁支架为90°圆心角的扇形框架结构；四个复合材料贮箱分别固定在四个框梁支架上，贮箱仅承担内压载荷和自身质量产生的载荷。本发明利用框梁支架固定四个复合材料贮箱，在结构总容积不变的情况下，增大每个贮箱容积的同时，减少了贮箱的数量，从而增加了结构可利用的空间，达到了降低结构重量、提高结构效率的目的。

技术领域

本发明涉及一种航天器承力结构，特别涉及一种含悬挂式复合材料贮箱的承力结构，属于航天器减重技术领域。

背景技术

未来航天器的发展主要以低成本、高运载能力为目标，要达到这个目标首先要解决的是结构减重问题，而贮箱是飞行器主要的结构部件之一，也是减重的关键部件。美国的研究表明，要达到可重复使用飞行器的飞行要求，必须使净重/发射总重量≤0.092，0.092为净重比，传统的金属贮箱净重比高达0.097。而发动机的推重比随着净重的减少而逐渐提高，也就是说结构重量的减轻直接会提高推进系统的效率。虽然金属贮箱已经在各型航天器上获得大量的应用，但由于金属材料属于各向同性，所制备的贮箱都存在明显的强度富余，无法进一步减重。而碳纤维复合材料属于各向异性材料，具有比强度高、抗疲劳强度优良、破坏后无二次损伤的特点，最重要的是可以根据要求进行优化设计，使得在某一方向上具有最优承载的优势，有效减轻结构重量。通过金属贮箱与复合材料贮箱的重量对比可知，复合材料贮箱较金属贮箱减重达30％以上。因此，发展复合材料贮箱是实现航天系统减重目的的关键技术之一。

复合材料贮箱作为航天系统中的关键部件，其研制技术直接决定其性能，而其性能又对航天系统有很大的影响，如(1)贮箱结构效率：贮箱作为属于重量比例较大的结构部件，其结构效率直接影响航天器有效载荷；(2)贮箱可靠性:直接关系整个航天器的成功发射与在轨安全运行；(3)贮箱安全性：如果发生贮箱爆破的灾难性失效，产生的高压气体释放、金属或纤维束高速碎片将对航天器产生严重的破坏；(4)贮箱应力断裂寿命：直接影响航天器在轨工作寿命，合理的结构设计保证贮箱在服役期间满足相应的可靠度要求；(5)贮箱疲劳寿命：影响航天器重复使用贮箱的介质充填次数。因此，针对复合材料贮箱结构构型方案进行研究，结合复合材料结构的工艺特点和材料性能，提出有效、可行、具有工程可实现性的方案设计。

图1为现有常用的复合材料贮箱结构方案，结构承受的主要载荷通过梁框传递，贮箱1作为非主承力部件只承受飞行时自身及燃料过载以及贮箱增压压力。这个结构构型的特点是贮箱1通过连接裙悬挂在法兰连接框3上，只承受内压载荷。在法兰连接框3上同时通过复合材料锥体支架2直接支撑有效载荷法兰，对作为主承力部件的复合材料锥体支架2的刚度及重量要有较高要求。

发明内容

本发明提供一种降低结构重量、提高结构效率的悬挂式复合材料贮箱结构。

本发明的悬挂式复合材料贮箱结构，包括四个复合材料贮箱、环形框和十字梁；

十字梁固定在环形框的内侧，形成四个框梁支架，框梁支架为90°圆心角的扇形框架结构；

四个复合材料贮箱分别固定在四个框梁支架上，贮箱仅承担内压载荷和自身质量产生的载荷。

优选的是，环形框的上端面还设置有效载荷支架。

优选的是，所述复合材料贮箱的环向和轴向的铺层比例为a：1，其中a的取值范围为1.5～2.5。

优选的是，所述复合材料贮箱通过连接裙与框梁支架连接，连接裙在缠绕时与复合材料贮箱一体成型，并通过螺栓与框梁支架连接。

优选的是，所述十字梁采用胶接和铆接相结合的方式固定在环形框的内侧。

优选的是，所述环形框和十字梁均采用预浸料铺放卷制工艺制备，外部铺放复合材料，内部填充芳纶纸蜂窝。