Бак высокого давления
Владельцы патента RU 2589956:
Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" (RU)
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к баку высокого давления для хранения рабочих тел, предназначенному для использования на космическом аппарате. Бак содержит металлический лейнер, имеющий верхнее и нижнее днища овальной формы, выполненные в виде полусфер, герметично соединенных между собой одним сварным швом по периметру их краев, внешнюю упрочняющую армирующую оболочку из ленточного композиционного материала, пропитанного связующим, выходную магистраль высокого давления, полость которой герметично соединена сваркой с полостью бака. Герметичное соединение краев днищ между собой выполнено одним сварным швом по периметру посредством двух наружных шпангоутов. Герметичное соединение полости выходной магистрали высокого давления с полостью бака выполнено сваркой через отверстие в упомянутом сварном шве. Сварной шов магистрали высокого давления проходит по замкнутому периметру сварного шва, соединяющего края днищ и по шпангоутам. Узлы крепления бака к космическому аппарату выполнены с вертикальными отверстиями для болтов в выступающих участках шпангоутов, монолитно выполненных по наружным периметрам шпангоутов и снабженных шайбами, поверхности каждой из которых выполнены сопряженными с поверхностями выступающих участков шпангоутов, обращенных друг к другу вокруг их отверстий. Использование изобретения обеспечивает повышение надежности конструкции бака. 3 ил.
Изобретение относится к общему машиностроению и может быть использовано в качестве бака высокого давления для хранения газообразных или жидких рабочих тел, например ксенона, на космическом аппарате.
Известна емкость из композиционного материала (патент РФ на изобретение №2237210), включающая в себя пластиковую оболочку, установленные в полюсных отверстиях оболочки фланцы, состоящие из опорного пера, на которое уложен пластик силовой оболочки, и узла соединения емкости с другими элементами конструкции (соплом или крышкой). В устройстве узел для соединения фланца с другими элементами конструкции вдвинут внутрь корпуса и соединен с внутренней поверхностью опорного пера фланца с помощью конической оболочки таким образом, что срединная поверхность конической оболочки пересекает поверхность опорного пера фланца по окружности, радиус которой больше радиуса полюсного отверстия пластиковой оболочки.
Недостаток аналога заключается в повышенной массе, причиной которой является исполнение узла для соединения фланца с другими элементами конструкции. При этом узел выполнен громоздким из-за повышенной концентрации механических нагрузок.
В качестве прототипа выбран «Металлопластиковый баллон высокого давления» (патент РФ на изобретение №2310120). Металлопластиковый баллон высокого давления содержит металлический лейнер, имеющий днища, среднюю цилиндрическую часть и внешнюю упрочняющую армирующую оболочку из композиционного материала. При этом цилиндрическая часть лейнера в зонах перехода к днищам с обеих сторон имеет утолщения, а между упрочняющей армирующей оболочкой и наружной поверхностью лейнера имеется антикоррозионное покрытие.
Недостаток прототипа заключается в повышенной массе устройства, причиной которой является исполнение цилиндрической части лейнера, выполненной с утолщением в зонах перехода к днищам с обеих сторон.
Задачи заявляемого изобретения: повышение надежности конструкции бака высокого давления, упрощение его изготовления и применения.
Задачи решены за счет того, что герметичное соединение краев днищ между собой выполнено одним сварным швом по периметру посредством двух, верхнего и нижнего, наружных шпангоутов, между внутренними вертикально выступающими краями которых сопряженно расположены отогнутые по периметрам наружу края упомянутых днищ, герметичное соединение полости выходной магистрали высокого давления с полостью бака выполнено сваркой через отверстие, выполненное в упомянутом сварном шве, при этом сварной шов магистрали высокого давления проходит по замкнутому периметру сварного шва, соединяющего края днищ и по шпангоутам, а узлы крепления бака к космическому аппарату монолитно выполнены по наружным периметрам шпангоутов в виде равномерно расположенных выступающих участков с вертикальными отверстиями для болтов, при этом выступающие участки 17, 19 снабжены шайбами 21, поверхности каждой из которых выполнены сопряженными с поверхностями выступающих участков шпангоутов, обращенных друг к другу вокруг их отверстий, причем каждая шайба с наружной стороны указанных выступающих участков соединена с ними сваркой.
Предложенное изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг. 1 - бак высокого давления (общий вид сбоку и сверху).
На фиг. 2 - разрез А-А (сварочное соединение днищ посредством верхнего и нижнего шпангоутов, крепежный узел с отверстием для болта).
На фиг. 3 - разрез Б-Б (сварочное соединение магистрали высокого давления с баком).
Бак высокого давления для хранения газообразных или жидких рабочих тел, предназначенный для использования на космическом аппарате, содержит металлический лейнер 1 с верхним и нижним овальными днищами 2, 3, выполненные в виде полусфер, герметично соединенные 4 между собой по периметру их краев, внешнюю упрочняющую армирующую оболочку 5 из ленточного композиционного материала, пропитанного связующим, выходную магистраль высокого давления 6, полость которой герметично соединена с полостью 7 бака, узлы крепления бака 8 к космическому аппарату.
В предложенном баке высокого давления герметичное соединение краев днищ 2, 3 между собой выполнено одним сварным швом 4 по периметру посредством двух, верхнего и нижнего, наружных шпангоутов 9, 10, между внутренними вертикально выступающими краями 11, 12 которых сопряженно расположены отогнутые по периметрам наружу края 13, 14 упомянутых днищ, герметичное соединение полости выходной магистрали 6 высокого давления с полостью 7 бака выполнено сваркой через отверстие 15, выполненное в упомянутом сварном шве 4, при этом сварной шов 16 магистрали высокого давления проходит по замкнутому периметру сварного шва 4, соединяющего края днищ и по шпангоутам, а узлы крепления 8 бака к космическому аппарату монолитно выполнены по наружным периметрам шпангоутов 9, 10 в виде равномерно расположенных выступающих участков 17, 18 с вертикальными отверстиями 19, 20 для болтов, при этом выступающие участки снабжены шайбами 21, поверхности каждой из которых выполнены сопряженными с поверхностями выступающих участков 17, 18 шпангоутов 9, 10, обращенных друг к другу вокруг их отверстий 19, 20, причем каждая шайба 21 с наружной стороны указанных выступающих участков 17, 18 соединена с ними сваркой 22, 23.
Бак, перед установкой на КА, подвергается технологической операции автофреттажа - нагружению его внутренним давлением, устраняющим в лейнере 1 остаточные деформации. В результате чего после снятия давления в лейнере 1 создаются сжимающие, а в армирующей оболочке 5 из композиционного материала растягивающие напряжения в таком соотношении, что при разрушении металлопластикового бака металлический лейнер и армирующая оболочка, имеющие различные модули упругости, разрушаются одновременно. Таким образом, полностью реализуется повышенная прочность бака.
Установка бака на КА осуществляется посредством узлов крепления 8, выполненных с равномерным распределением их по внешним периметрам шпангоутов 9, 10, с вертикальными отверстиями 19, 20 для болтов соединения бака с КА, или с технологической установкой для проведения наземных испытаний. Шпангоуты 9, 10, соединенные сваркой 4 по их внутреннему периметру одновременно с днищами 2, 3, а также по их внешнему периметру в узлах крепления 8 посредством шайб 21, образуют объемную монолитно-жесткую конструкцию с равномерным распределением механических нагрузок по всей конструкции бака. Такая конструкция бака позволяет обеспечить простоту и надежность его изготовления, закрепления его на КА с обеспечением достаточно высокой надежности при воздействии повышенных механических нагрузок на КА в процессе его выведения на орбиту ракетой-носителем.
Для обеспечения требуемой прочности, надежности и снижения массы конструкции бака (за счет уменьшения толщины оболочки лейнера 1) намотка упрочняющей армирующей оболочки 5 выполнена послойно, с перекрытием краев ленты, намотки с различными направлениями (углами) намотки и необходимой толщины. Количество слоев определяется в зависимости от механических свойств металла лейнера 1, типа армирующих волокон, от размеров и толщины стенок лейнера, а также заполнения слоями вогнутых участков на поверхности бака, например, в местах соединения днищ 2, 3 со шпангоутами 9, 10. Для обеспечения плотного соединения упрочняющей армирующей оболочки 5 по всей металлической поверхности бака (за исключением выступающих участков узлов крепления 8 бака к КА) предложенная конструкция бака со шпангоутами 9, 10 позволяет обеспечить достаточную жесткость и надежность увеличением их размера по высоте при одновременном уменьшении их выступающего относительно днищ размера в горизонтальном направлении, что позволяет повысить прочность и надежность бака в целом.
В настоящее время устройство находится на стадии подготовки к выпуску конструкторской документации на его изготовление.
Бак высокого давления для хранения газообразных или жидких рабочих тел, предназначенный для использования на космическом аппарате, содержащий металлический лейнер с верхним и нижним овальными днищами, выполненными в виде полусфер, герметично соединенные между собой по периметру их краев, внешнюю упрочняющую армирующую оболочку из ленточного композиционного материала, пропитанного связующим, выходную магистраль высокого давления, полость которой герметично соединена с полостью бака, узлы крепления бака к космическому аппарату, отличающийся тем, что герметичное соединение краев днищ между собой выполнено одним сварным швом по периметру посредством двух, верхнего и нижнего, наружных шпангоутов, между внутренними вертикально выступающими краями которых сопряженно расположены отогнутые по периметрам наружу края упомянутых днищ, герметичное соединение полости выходной магистрали высокого давления с полостью бака выполнено сваркой через отверстие, выполненное в упомянутом сварном шве, при этом сварной шов магистрали высокого давления проходит по замкнутому периметру сварного шва, соединяющего края днищ и по шпангоутам, а узлы крепления бака к космическому аппарату монолитно выполнены по наружным периметрам шпангоутов в виде равномерно расположенных выступающих участков с вертикальными отверстиями для болтов, при этом выступающие участки снабжены шайбами, поверхности каждой из которых выполнены сопряженными с поверхностями выступающих участков шпангоутов, обращенных друг к другу вокруг их отверстий, причем каждая шайба с наружной стороны указанных выступающих участков соединена с ними сваркой.
