專利名稱：一種耐腐蝕抗壓三層結構貯箱的制作方法
技術領域：
本發明公開了一種燃料貯存箱，特別涉及的是一種具有三層結構的燃料貯存箱，屬于飛行器設備技術領域。
背景技術：
貯箱是用于貯存以液態的方式存在的推進劑，為發動機系統提供能量供給的設備。貯箱作為火箭動力系統的重要組成部分，其結構設計要充分兼顧其使用特性。一方面，燃料貯箱中存儲的液體燃料通常具有一定的腐蝕性，從而造成貯箱普遍使用壽命較短。另一方面，貯箱壁需要承受來自內部和外部系統的載荷作用，從而在貯箱結構內部產生較大的應力。綜合以上因素，貯箱的設計要充分考慮到結構使用材料的抗腐蝕性以及結構強度要求。現階段，國內外關于貯箱的設計主要偏重于采用在貯箱內壁涂鍍耐腐蝕性高的防護層。但是這層防護層不具有結構的獨立性，在內外載荷的作用下極有可能導致局部脫落，防護失效，使得貯箱被帶有腐蝕性的燃料侵蝕，最終貯箱的結構破壞。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種具有抗壓、耐腐蝕性能的航天器燃料貯存箱。該貯箱既具有很好的耐腐蝕性，又可滿足較高的結構強度要求，同時應兼顧考慮減輕結構質量。采用的技術方案是
一種耐腐蝕抗壓三層結構貯箱，包括有內層、中間層和外層，所述的內層的材質耐貯箱內部燃料腐蝕，所述的外層是殼體，所述的中間層是氣體、固態膠體或者液體，中間層密封于內層和外層之間。采用這樣的結構時，克服了現有技術中貯箱內壁涂鍍防護層局部脫落、防護失效、不具有獨立結構的問題。通常，航天器貯箱儲存燃料包括煤油，偏二甲肼，液氫，丙烷，乙醇，端羥基液態聚丁二烯橡膠(HTPB)。當采用煤油作為燃料時，可以使用鋁，不銹鋼，鎳合金、Teflon(聚四氟乙烯，商品名特氟龍)作為內層防腐蝕層；當采用偏二甲肼作為燃料時，可以使用鋁，不銹鋼，Kel-F(聚三氟氯乙烯橡膠)作為內層防腐蝕層。當采用液氫、丙烷、乙醇、端羥基液態聚丁二烯橡膠(HTPB)作為燃料，可以使用不銹鋼、鈦合金或鋁合金作為內層防腐蝕層。內層材料要盡可能使內層結構具有一定的柔性、無泄漏以及光滑，例如鋁和招合金等。中間層的作用是將內層貯箱的內部載荷傳遞至外層結構，中間層的填充物一般最好采用的是非金屬材料，其具有將貯箱內部產生的作用力均勻的過渡到外層結構的特性，中間層的結構獨立，不會產生過高的應力集中，避免內層結構破壞。另外，中間層的填充物可以根據實際情況進行優選，使其還具有充當冷卻劑、推進劑的作用。針對中間層結構的特點，設計出以下三種方案可根據具體情況進行選擇。第一，在內層結構和外層結構之間填充氣體，作為獨立的中間層結構。所選取的填充氣體應具有密度小、無腐蝕性，高溫下性質穩定、不易于其他物質發生化學反應、具有良好的傳載能力的特點，例如可選取氮氣、氦氣或氬氣，這三種氣體均具有密度小，化學性質穩定等特點，填充一定體積后，僅會給整個貯箱結構帶來很小的質量變化，具有良好的減重優勢。第二，在內外層結構之間填充液體，作為獨立的中間層結構。所選取的填充液體應具有密度小，腐蝕性低，流動性好，熱膨脹系數小，具有良好的傳力能力的特點，同時該液體可兼做冷卻劑或推進劑，例如可選取液態氧、酒精或者過氧化氫，這兩種物質的腐蝕性低，流動性好等特點，同時這兩種物質可兼做冷卻劑和推進劑，在火箭發動機工作時，可以使用中間層的酒精、過氧化氫用于發動機的工作，因而其也可以起到減重的作用。只要在中間層的液體填充量大于其使用量，使發動機停機時，中間層中仍然保留一部分液體填充物，就可以保證中間層仍然具有傳遞應力的作用。第三，在內外層結構之間注膠，形成的固態膠體作為獨立的中間層結構。所選取的膠應具有粘接力強、收縮性小、耐介質性好、工藝性好、密度小，良好的傳載能力等特點，對金屬、玻璃、塑料、陶瓷等材料都有較好的黏附力。則形成的膠接層可以有效提高結構的強度。提高貯箱結構的合理性。可以根據內層、外層的材質，選取不同的注膠，例如酚醛-丁腈類結構膠，環氧酚醛類結構膠，通過加熱即可實現注膠的固化。特別地，在環氧樹脂膠中加入固化劑促進膠體的固體，例如芳香族多胺、酸醉、雙氰胺等固化劑。上述的外層的材質也可以采用是鋁合金、鈦合金、不銹鋼等。外層結構具有高強度特性，作為貯箱的殼體。所選取的材料具備高比強度，高比模量，低密度的特點；所以，外層材料一般選用比強度以及比模量高的金屬材料。
技術效果
第一，本發明采用三層結構，內層結構采用具有良好的耐腐蝕性的材料，外層結構采用高強度材料，中間層結構采用傳載能力好的材料。內層結構具有很強的耐腐蝕性，承受載荷的能力小；中間層結構具有良好的傳載特性，能夠把貯箱內部產生的載荷均勻的過渡到外層，不會產生較大的應力集中，避免內層結構破壞；外層結構可以承受大部分載荷，由于高腐蝕性的燃料已被內層結構隔離，因此外層結構不會受到腐蝕，以上設計可以有效提高貯箱的使用壽命。第二，相比于采用在貯箱內壁涂鍍耐腐蝕性高的防護層的技術，本發明的內層結構具有完整獨立性，可承受一定的載荷，中間層結構也具有一定的隔離腐蝕的作用，以上設計既具有良好的防護性，又不會被輕易破壞。第三，中間層結構材料選用的是非金屬材料，具有密度小，質量輕的特點。此外，中間層結構若采用填充液體，則其可充當推進劑或冷卻液；若填充氣體，也可以有效地減輕結構重量；中間層結構若采用填充固態膠體，則形成的膠接層可以有效提高結構的強度。以上設計具有良好的減重優勢。第四，此次設計的貯箱是三層結構，能夠兼顧貯箱所應具備的兩種特性耐腐蝕性和承受較大的作用載荷。而且使貯箱的這兩種特性彼此獨立，互不影響。因此可以根據貯箱中所儲存燃料的腐蝕性的強弱，更換內層結構材料，根據貯箱的使用需求，更換中間層結構材料，體現出此次設計的貯箱具有良好的適應性。
圖1是本發明提供的燃料貯存箱的側向的層狀結構示意圖。圖2是本發明提供的燃料貯存箱的側向的層狀結構示意圖。圖3是本發明提供的燃料貯存箱的截面方面的層狀結構示意圖其中，I是外層；2是中間層；3是內層。
具體實施例方式實施例1
如圖1所示，一種耐腐蝕抗壓三層結構貯箱，貯箱的外層結構采用半硬殼式結構(蒙皮-桁條結構)，將桁條焊接在蒙皮上(也可以采用梁式、硬殼式結構替代)，外層結構采用鋁合金。貯箱的內層結構采用鋁，其加工成型后采用攪拌摩擦焊接技術連接，冷卻后具有可靠的連接性與密封性。內外層結構采用同軸設計，利用夾具將內層結構和外層結構夾持，固定好相對位置；使內層和外層之間形成空腔，該空腔用于填充中間層的材料。根據貯箱的不同使用需求，確定使用某種具體的中間層結構，根據注膠，填充液體，填充氣體工藝進行加工。本實施例中，中間層采用的是填充氮氣。中間層密封于外層和內層之間。本實施例中的貯箱，由于內層采用了鋁材料，其具有光滑，一定的柔性，無泄漏的特點，當使用偏二甲肼火箭燃料時，其可以有效地防止燃料的腐蝕作用；中間層采用的是填充氮氣，它可以將內層產生的應力向外層傳遞，外層為整個貯箱提供機械強度。本實施例中，內層材料可以用不銹鋼，鎳合金或者特氟龍代替；中間層也可以用氦氣或者氬氣代替，也可以實現本發明的技術方案。
實施例2
與實施例1的區別在于內層采用鎳合金材料，中間層采用填充液態氧，外層采用鋁合金材料。當貯箱存儲煤油時，采用鎳合金材料可以滿足其抗腐蝕性要求。中間層填充的是液態氧，既可以將內層產生的應力向外層傳遞，又可以充當氧化劑。液態氧的質量應和內層煤油的質量按照一定比例搭配，以保證在液態氧耗盡之前，內層中儲存的煤油耗盡或僅存少量，不會產生很大應力致使內層破壞。外層結構采用的是鋁合金，能夠滿足結構強度要求。本實施例中，中層材料可以用過氧化氫代替，內層的材料也可以采用鋁，不銹鋼，Kel-F、特氟龍代替，也可以實現發明的技術方案。
實施例3
與實施例1，2的區別在于內、外層均采用鋁合金材料，中間層采用環氧樹脂膠，并加入雙氰胺固化劑促進環氧樹脂膠的固化，形成的膠接層作為獨立的中間層結構。當儲存液態丙烷時，采用鋁合金可以滿足其抗腐蝕性的要求。中間層采用注膠方式，既可以將內層產生的應力向外層傳遞，又可以提高結構的強度，同時膠的密度小，可以有效的減輕結構重量。外層結構采用的是鋁合金，能夠滿足結構的強度要求。本實例中，內層材料也可以采用不銹鋼，鈦合金代替，也可以實現本發明的技術方案。
實施例4
與實施例1的區別在于內層材料可以采用鋁、不銹鋼或者Kel-F(聚三氟氯乙烯橡膠)中的一種，該貯箱適用于內層中使用煤油作為燃料，可以有效地耐燃料腐蝕。
實施例5
與實施例1的區別在于內層材料可以采用不銹鋼、鈦合金或鋁合金中的一種，該貯箱可以適用于內層中使用液氫、丙烷、乙醇、端羥基液態聚丁二烯橡膠(HTPB)作為燃料，可以有效地耐燃料腐蝕。
權利要求
1.一種耐腐蝕抗壓三層結構貯箱，包括有內層、中間層和外層，其特征在于所述的內層的材質耐貯箱內部燃料腐蝕，所述的外層是殼體，所述的中間層是氣體、固態膠體或者液體，中間層密封于內層和外層之間。
2.根據權利要求1所述的耐腐蝕抗壓三層結構貯箱，其特征在于所述的氣體是氮氣、氬氣或者氦氣。
3.根據權利要求1所述的耐腐蝕抗壓三層結構貯箱，其特征在于所述的液體是液態氧、酒精或過氧化氫。
4.根據權利要求1所述的耐腐蝕抗壓三層結構貯箱，其特征在于所述的固態膠體是環氧樹脂或硅膠。
5.根據權利要求1所述的耐腐蝕抗壓三層結構貯箱，其特征在于所述的貯箱內部燃料是煤油，所述的耐貯箱內部燃料腐蝕的材料是鋁、不銹鋼、鎳合金、Teflon中的一種。
6.根據權利要求1所述的耐腐蝕抗壓三層結構貯箱，其特征在于所述的貯箱內部燃料是偏二甲肼，所述的耐貯箱內部燃料腐蝕的材料是鋁、不銹鋼、Kel-F中的一種。
7.根據權利要求1所述的耐腐蝕抗壓三層結構貯箱，其特征在于所述的貯箱內部燃料是液氫、丙烷、乙醇、端羥基液態聚丁二烯橡膠中的一種，所述的耐貯箱內部燃料腐蝕的材料是不銹鋼、鈦合金或鋁合金中的一種。
8.根據權利要求1所述的耐腐蝕抗壓三層結構貯箱，其特征在于所述的外層的材質是鋁合金、鈦合金或不銹鋼。
全文摘要
本發明公開了一種具有三層結構的燃料貯存箱，屬于航天器設備技術領域。包括有內層、中間層和外層，其特征在于所述的內層的材質耐貯箱內部燃料腐蝕，所述的外層是殼體，所述的中間層是氣體、固態膠體或者液體，中間層密封于內層和外層之間。內層結構具有很強的耐腐蝕性，承受載荷的能力較小；中間層結構具有良好的傳載特性，能夠把貯箱內部產生的載荷均勻的過渡到外層，不會產生較大的應力集中，避免內層結構破壞；外層結構可以承受大部分載荷，由于高腐蝕性的燃料已被內層結構隔離，因此外層結構不會受到腐蝕，以上設計可以有效提高貯箱的使用壽命。
文檔編號B65D85/00GK103057849SQ20121059123
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月31日 優先權日2012年12月31日
發明者韓鈺, 薛彩軍, 戴建華, 張俊苗 申請人:南京航空航天大學