專利名稱：一種輕質(zhì)網(wǎng)式表面張力貯箱的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種輕質(zhì)網(wǎng)式表面張力貯箱，特別適用于高軌衛(wèi)星以及深空探測器，大大提聞其有效載荷能力。
背景技術(shù)：
推進劑貯箱是航天器上最重要的部件之一，它的作用是存儲和管理推進劑，在規(guī)定的流量和加速度條件下，為發(fā)動機或推力器提供不夾氣的推進劑，其核心部件是推進劑管理裝置(PMD)。表面張力貯箱是目前世界上使用最為廣泛的推進劑貯箱，它分為網(wǎng)式和板式兩種。第一代表面張力貯箱都是網(wǎng)式結(jié)構(gòu)的，它利用液體的表面張力通過篩網(wǎng)來收集推進劑，同時阻止氣體進入管路。表面張力貯箱的研制開始上個世紀于70年代，到80年代末在軌道航天器上已占據(jù)絕對的主導(dǎo)地位，目前除了俄羅斯沒有使用外，其它靜止軌道通信 衛(wèi)星都采用表面張力貯箱。美國是研發(fā)和生產(chǎn)網(wǎng)式表面張力貯箱最早的國家，包括美國的PSI公司、PMD技術(shù)公司等，后續(xù)德國的EDS公司也完成了網(wǎng)式表面張力貯箱研制和在軌驗證。但該類貯箱的詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計作為公司的核心技術(shù)一直未得到公開，我國的科研工作者只能靠自身力量開展網(wǎng)式貯箱的研究工作。國內(nèi)表面張力貯箱的研制始于上個世紀80年代初期，現(xiàn)有的表面張力貯箱都是網(wǎng)式的，屬于第一代表面張力貯箱產(chǎn)品，相當(dāng)于國外八十年代的水平，這種貯箱曾經(jīng)為我國的衛(wèi)星事業(yè)做出了重要貢獻，但隨著衛(wèi)星事業(yè)的不斷發(fā)展，對貯箱產(chǎn)品的性能要求逐漸提高。基于輕量化設(shè)計理念，提出了貯箱應(yīng)具有質(zhì)量輕巧、能抑制液體晃動以及抗力學(xué)環(huán)境能力強的要求。歐美國家均生產(chǎn)了大量表面張力貯箱，代表性的文章如下W.H.Tam，ff. D. Lay,Μ· S, “Hersh, at all. Design, Development, Qualification, andManufacture of the HS601 Propellant Tank，，，AIAA96-2748 ；W. H. Tam, M. D. Drey, D. E. Jae kle Jr, “Design andManufacture of an Oxidizer TankAssembly”， AIAA2001-3825 ；Michael J， Debreceni，T. K. Kuo, D. E. Jaekle Jr，“Development of a Composite Wrapped Propellant Tank，，，AIAA 2004-3505 ；Jaekle, D. E.，Jr.，“Propellant Management DeviceConceptualDesign and Analysis :Vanes”，AIAA-91-2172，1991 ；Jaekle, D. E.，Jr.，“PropellantManagement Device Conceptual Design and Analysis :Sponges”， AIAA-93-1970，1993 ;Jaekle， D.E. ， Jr. ，“PropelIantManagement Device Conceptual Design and Analysis Traps & Troughs”，AIAA-95-2531，1995 ；Jaekle, D. E.，Jr.，“Propellant ManagementDeviceConceptual Design and Analysis :Galleries”，AIAA-97-2811，1997。這些文章都是關(guān)于貯箱的一些整體結(jié)構(gòu)和裝置的原理及功能介紹，沒有關(guān)于針對實際貯箱詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計的描述，不能作為我國貯箱設(shè)計的依據(jù)，因此必須根據(jù)我國衛(wèi)星實際需求，開展貯箱的詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計工作
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可靠性高、質(zhì)量輕、擴展性好、能抑止液體晃動以及抗力學(xué)環(huán)境能力強的網(wǎng)式表面張力貯箱，能夠滿足其它高軌衛(wèi)星及深空探測器對于該類貯箱的需求。本發(fā)明技術(shù)解決方案一種輕質(zhì)網(wǎng)式表面張力貯箱，其特征在于所述貯箱外殼結(jié)構(gòu)形式由球形封頭加圓柱段的焊接組合而成；貯箱內(nèi)部采用分艙式結(jié)構(gòu)；所述貯箱包括氣口(I)、上半球形封頭(2)、圓柱段(3)、防晃錐(4)、放氣杯(5)、中間底隔板(6)、中底收集器(7)、收集器連接管(8)、中收集器(9)、氣泡陷阱(10)、液口(11)和下半球形封頭(12);上半球形封頭(2)、下半球形封頭(12)置于圓柱段(3)兩側(cè)焊接，圓柱段與球形封頭圓滑過渡；所述上半球形封頭(2)與圓柱段(3)、氣口(I)與上半球形封頭(2)、液口(11)與下半球形封頭(12)分別采用氬弧焊焊接；所述中間底隔板(6) 于下半球形封頭(12)與圓柱段(3)連接處，并與圓柱段(3)和下半球形封頭(12)焊接，將貯箱分為上艙與下艙，上艙與下艙容積按比例分配，以適應(yīng)衛(wèi)星入軌和在軌兩種工作模式，能夠保證入軌完成后上艙推進劑完全排出；中間底隔板(6)安裝中底收集器(7)，防止上艙內(nèi)推進劑未完全排出時氣體進入下艙；所述防晃錐(4)與中間底隔板￠)固定，位于貯箱上艙；所述收集器連接管(8)、中收集器(9)與氣泡陷阱(10)連接組成推進劑管理裝置，推進劑管理裝置置于貯箱下艙；所述氣泡陷阱(10)與液口(11)焊接。所述貯箱容積縮放通過調(diào)節(jié)圓柱段(3)軸向長度實現(xiàn)，縮小圓柱段(3)軸向長度，則貯箱體積減小，相反則增大。所述上半球形封頭(2)和下半球形封頭(12)的壁厚為1. 05mm ;所述圓柱段(3)壁厚為2.1mm,同等強度條件下其重量大大降低。所述貯箱分為上艙與下艙的容積按比例是3 I 4 :1。所述防晃錐(4)采用厚度1_的鈦板并折彎成錐型，能夠有效防止液體晃動。所述防晃錐(4)上交錯布置多個通孔，既能夠增加貯箱內(nèi)部的晃動阻尼，有效防止液體晃動，同時大大減輕防晃錐重量。所述推進劑管理裝置采用外徑Φ8πιπι，壁厚為O. 8mm的鈦管，在保證推進劑管理裝置的強度和剛度的前提下，使推進劑管理裝置的總重有效較低，從未有效的降低了貯箱產(chǎn)
品的重量。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(I)本發(fā)明的輕質(zhì)網(wǎng)式貯箱在貯箱的外形結(jié)構(gòu)上采取球形封頭加中間圓柱段的結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)既能適應(yīng)整星的安裝需求，又能在最大程度上利用現(xiàn)有的空間結(jié)構(gòu)采取承壓能力最強的球形容器結(jié)構(gòu)。相比于其它結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)能夠在不減弱殼體強度的前提下使殼體做到最輕，從而有效降低了產(chǎn)品的重量。(2)本發(fā)明的輕質(zhì)網(wǎng)式貯箱在貯箱根據(jù)貯箱容積需求，改變中間圓柱段長度，以適應(yīng)不同衛(wèi)星需求，其容積可擴展性好。(3)本發(fā)明的輕質(zhì)網(wǎng)式貯箱在管理裝置的結(jié)構(gòu)形式上采取了分艙結(jié)構(gòu)以及通道式布局方式。由于衛(wèi)星的運行大體可分為入軌和在軌運行兩個階段，貯箱采取分艙式結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)兩種不同的運行形式，推進劑管理裝置只設(shè)置在下艙，有效簡化了管理裝置的結(jié)構(gòu)，使得貯箱產(chǎn)品更輕，推進劑管理更加高效；而采取通道式布局方式，保證了衛(wèi)星在軌運行期間在各種加速度環(huán)境下的推進劑流量輸出要求。
(4)本發(fā)明的輕質(zhì)網(wǎng)式貯箱在貯箱中間底上部設(shè)計了防晃錐，該防晃錐能夠使貯箱能夠適應(yīng)不同的裝填要求，能夠有效抑止液體晃動，增強貯箱的抗力學(xué)環(huán)境能力，使得整星在不改變貯箱產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及其它產(chǎn)品布局的前提下滿足不同的發(fā)射任務(wù)需求，有效擴大了衛(wèi)星平臺的適應(yīng)能力。(5)本發(fā)明推進劑管理裝置采用連接管和收集器結(jié)合的通道式布局，確保在衛(wèi)星壽命末期推進劑剩余量較小的工況下，貯箱仍能正常輸出推進劑。


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圖1為本發(fā)明輕質(zhì)網(wǎng)式表面張力貯箱結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明輕質(zhì)網(wǎng)式表面張力貯箱防晃錐結(jié)構(gòu)與布局3為本發(fā)明輕質(zhì)網(wǎng)式表面張力貯箱壽命初期推進劑分布；
4為本發(fā)明輕質(zhì)網(wǎng)式表面張力貯箱上艙末期推進劑分布；
5為本發(fā)明輕質(zhì)網(wǎng)式表面張力貯箱姿軌控階段初期推進劑沉底情況；6為本發(fā)明輕質(zhì)網(wǎng)式表面張力貯箱壽命末期推進劑分布情況。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明由氣口1、上半球形封頭2、圓柱段3、防晃錐4、放氣杯5、中間底隔板6、中底收集器7、收集器連接管8、中收集器9、氣泡陷阱IO、液口 11和下半球形封頭12組成，球形封頭6與圓柱段3、氣口 I與上半球形封頭6、液口 11與下半球形封頭12分別采用氬弧焊焊接，圓柱段3與上半球形封頭6、圓柱段3與下半球形封頭12圓滑過渡，運用等強度設(shè)計原則，上半球形封頭和下半球形封頭的壁厚為1. 05mm,圓柱段壁厚為2. 1mm，其重量大大降低；中間底隔板6位于下半球形封頭12與圓柱段3連接處，并且與圓柱段3和下半球形封頭12焊接，將貯箱內(nèi)艙分為上艙與下艙，容積按一定比例分配(上艙與下艙的容積按比例是3 :1 4 :1)，中底收集器7位于中間底隔板6上；防晃錐4與中間底隔板6焊接固定，位于貯箱上艙；收集器連接管8、中收集器9與氣泡陷阱10連接組成推進劑管理裝置，推進劑管理裝置放置于推進劑管理裝置置于貯箱下艙，氣泡陷阱10位于下半球形封頭12中部位置，并與液口 11焊接。本發(fā)明的防晃錐4如圖2所示，采用厚度Imm的鈦板并折彎成錐型，固定于中間底隔板6上方，兩者可采用氬弧焊焊接，防晃錐4表面布置4 6排通孔，各排通孔之間合理交錯布置，采用通孔可以大大減輕防晃錐重量，提高整星有效載荷攜帶量，板孔結(jié)構(gòu)能夠增加貯箱內(nèi)部的晃動阻尼，有效防止發(fā)射、變軌過程中貯箱上艙內(nèi)液體晃動。本發(fā)明的輕質(zhì)網(wǎng)式表面張力貯箱的下艙布置了由收集器連接管8、中收集器9與氣泡陷阱10連接組成推進劑管理裝置，變軌點火期間，上艙推進劑經(jīng)由中間底隔板6上的中底收集器7進入下艙。正常情況下，變軌結(jié)束后推進劑將全部位于下艙空間內(nèi)。而下艙中收集器9的位置布置，保證了在衛(wèi)星姿、軌控階段，總有中收集器9浸沒在推進劑中，從而滿足無氣推進劑供給的要求。推進劑在軌使用的各個階段如圖3 圖6所示。在衛(wèi)星發(fā)射及變軌階段，貯箱內(nèi)液體如圖3或圖4所示，貯箱內(nèi)液體處于沉底狀態(tài)，上艙推進劑經(jīng)由中間底隔板6上的中底收集器7進入下艙，此階段結(jié)束后上艙液體耗盡，或只剩余少量推進劑；隨著液體不斷消耗，下艙有氣體進入，在氣體壓力作用下，推進劑進入氣泡陷阱，供給推力器，如圖5所示；在貯箱壽命末期，如圖6所示，在微重力環(huán)境下，中底收集器7暴露在下艙氣體中，推進劑處于下半球形封頭12與中間底隔板6的夾角處，此時利用設(shè)計由收集器連接管8、中收集器9與氣泡陷阱10組成的推進劑管理裝置，通過液體表面張力的作用，在一定的壓差范圍內(nèi)維持氣液界面的穩(wěn)定，阻止氣體進入貯箱內(nèi)的收集器連接管8，以保證飛行器在各種姿態(tài)飛行工作中，貯箱都能正常的連續(xù)或非連續(xù)的向發(fā)動機及推力器提供無氣推進劑。通過下艙的推進劑管理裝置實現(xiàn)了對貯箱下艙推進劑的全管理，利用上下艙容積比例匹配來保證變軌結(jié)束后上艙推進劑全部用完。本發(fā)明未詳細闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種輕質(zhì)網(wǎng)式表面張力貯箱，其特征在于所述貯箱外殼結(jié)構(gòu)形式由球形封頭加圓柱段的焊接組合而成；貯箱內(nèi)部采用分艙式結(jié)構(gòu)；所述貯箱包括氣口(I)、上半球形封頭(2)、圓柱段(3)、防晃錐(4)、放氣杯(5)、中間底隔板(6)、中底收集器(7)、收集器連接管 (8)、中收集器(9)、氣泡陷阱(10)、液口(11)和下半球形封頭(12);上半球形封頭(2)、下半球形封頭(12)置于圓柱段(3)兩側(cè)焊接，圓柱段與球形封頭圓滑過渡；所述上半球形封頭⑵與圓柱段(3)、氣口⑴與上半球形封頭(2)、液口(11)與下半球形封頭(12)分別采用氬弧焊焊接；所述中間底隔板(6)位于下半球形封頭(12)與圓柱段(3)連接處，并與圓柱段(3)和下半球形封頭(12)焊接，將貯箱分為上艙與下艙，上艙與下艙容積按比例分配，以適應(yīng)衛(wèi)星入軌和在軌兩種工作模式，能夠保證入軌完成后上艙推進劑完全排出；中間底隔板(6)上安裝中底收集器(7)，防止上艙內(nèi)推進劑未完全排出時氣體進入下艙；所述防晃錐(4)與中間底隔板￠)固定，位于貯箱上艙；所述收集器連接管(8)、中收集器(9)與氣泡陷阱(10)連接組成推進劑管理裝置，推進劑管理裝置設(shè)置于貯箱下艙；所述氣泡陷阱(10)與液口(11)焊接。
2.如權(quán)利要求1所述的輕質(zhì)網(wǎng)式表面張力貯箱，其特征在于所述貯箱容積縮放通過調(diào)節(jié)圓柱段(3)軸向長度實現(xiàn)，縮小圓柱段(3)軸向長度，則貯箱體積減小，相反則增大。
3.如權(quán)利要求1所述的輕質(zhì)網(wǎng)式表面張力貯箱，其特征在于所述上半球形封頭(2) 和下半球形封頭(12)的壁厚為1. 05mm ;所述圓柱段(3)壁厚為2.1mm,同等強度條件下其重量大大降低。
4.如權(quán)利要求1所述的輕質(zhì)網(wǎng)式表面張力貯箱，其特征在于所述貯箱分為上艙與下艙的容積按3 :1 4 :1比例進行分配。
5.如權(quán)利要求1所述的輕質(zhì)網(wǎng)式表面張力貯箱，其特征在于所述防晃錐(4)采用厚度Imm的鈦板并折彎成錐型，能夠有效防止液體晃動。
6.如權(quán)利要求1或5所述的輕質(zhì)網(wǎng)式表面張力貯箱，其特征在于所述防晃錐(4)上交錯布置多個通孔，既能夠增加貯箱內(nèi)部的晃動阻尼，有效防止液體晃動，同時大大減輕防晃錐重量。
7.如權(quán)利要求1或5所述的輕質(zhì)網(wǎng)式表面張力貯箱，其特征在于所述推進劑管理裝置采用外徑Φ8πιπι，壁厚為O. 8mm的鈦管，在保證推進劑管理裝置的強度和剛度的前提下， 使推進劑管理裝置的總重有效較低，從未有效的降低了貯箱產(chǎn)品的重量。
全文摘要
一種輕質(zhì)網(wǎng)式表面張力貯箱，包括氣口、上半球形封頭、圓柱段、防晃錐、放氣杯、中間底隔板、中底收集器、收集器連接管、中收集器、氣泡陷阱、液口和下半球形封頭；所述球形封頭與圓柱段、氣口與上半球形封頭、液口與下半球形封頭分別采用氬弧焊焊接，所述中間底隔板與圓柱段和下半球形封頭焊接，將貯箱分為上下兩艙，中底收集器位于中間底隔板上，所述防晃錐與中間底隔板焊接固定，位于貯箱上艙，所述收集器連接管、中收集器與氣泡陷阱連接組成推進劑管理裝置，并置于貯箱下艙。本發(fā)明可應(yīng)用于各類衛(wèi)星，具有重量輕、能抑止液體晃動以及抗力學(xué)環(huán)境能力強等優(yōu)點。通過對其柱段高度進行修改后，可以在不改變安裝形式的基礎(chǔ)上進行容積的擴展，能夠形成系列化產(chǎn)品。
文檔編號B64G1/40GK102991729SQ20121051653
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者潘海林, 白建軍, 李永, 任海, 莊保堂, 姚燦, 胡齊, 林星榮 申請人:北京控制工程研究所