复合材料内部框架多重接合型筒体及包含其的外壳一体型发射器推进剂储罐及其制备方法

摘要

本发明涉及复合材料内部框架多重接合型筒体及包含其的外壳一体型发射器推进剂储罐及其制备方法，本发明的外壳一体型发射器推进剂储罐，包括：复合材料内部框架多重接合型筒体；圆筒形的外壳，附加在上述复合材料内部框架多重接合型筒体的外侧；及，人孔盖，用于密封形成在上述圆顶框架中心部的人孔盖结合孔，一侧形成有流体注入口。其中，上述复合材料内部框架多重接合型筒体，包括：圆筒部，由多个内部框架接合而成；及圆顶部，由接合在所述圆筒部上或下端的圆顶框架组成。

说明书

技术领域

本发明涉及利用纤维增强复合材料一体地制造安装在宇宙发射器上的推进剂储罐和包围其的机身外壳的方法。具体地，涉及由多个复合材料内部框架接合而成的筒体(barrel)及包含该筒体的复合材料机身外壳一体型推进剂储罐及它们的制备方法。

背景技术

随着对航空航天领域的关注不断增加，对能够促进航空航天领域发展的发射体的研究也在活跃地进行着。

例如，美国NASA(National Aeronautics and Space Administration)在保持现有金属材料罐体的设计可靠性的同时，为了减少航天发射器推进剂储罐的整体费用和重量，与航空航天领域的民间企业合作，正在进行有关复合材料应用的各项研究。

特别是，针对复合材料液化氢气罐的开发，从2011年到2014年，经过国家航空航天计划(National Aerospace Plane，NASP)方案和单级入轨(Single-Stage-to-Orbit，SSTD)发射体X-33计划，正在进行航天发射倡议(Space Launch initiative，SLI)下属第2代RLV开发及复合低温储罐技术示范项目(Composite Cryo-tank Technology DemonstrationProject，CCTD)的开发。

其中，CCTD的低温储罐(Cryogenic tank)如图1所示，由筒(连续罐壁(ContinuousTank Wall))、裙部(外壳)(槽芯裙部及筒壁(Fluted Core Skirts&Cylinder Wall)、前盖(Access Opening Joint)、软化带(软化带Y-接合部(Softening Strip Y-joint))构成。

另外，参照图2，CCTD的低温储罐的制备工艺的步骤如下：由24个区段(segments)组成圆筒部与圆顶部(dome part)一体化的筒形模具，然后在上述筒形模具的圆筒部层压(Lay-up)材料后，固化并检查来形成筒体的步骤；在上述形成筒体的步骤中形成的筒体的圆顶部上组装裙模具(skirt mold)，并在裙模具附上槽(Flutted)芯型的板材后固化并检查的裙部-筒体组装步骤；制造盖及人孔(manhole)的步骤；进入到裙部-筒体组件内部来移除筒体模具及裙部模具的步骤；及将上述盖及人孔结合到裙部-筒体组件的步骤。

如上所述，现有的低温发射器推进剂储罐有以下问题。

(1)由于制造24个区段(segments)后粘贴使用，存在工艺繁琐且气密性差，使用后回收难且工艺时间长等缺点。

(2)由于裙部-筒体组装后再移除模具，存在工艺难、需要的工艺时间长、且因工作人员需进入组件内部进行作业，从而危险性非常大的缺点。

(3)参照图3a，由于裙部-筒体组件的筒体具有曲率部的圆顶部(dome part)，裙部与筒体之间产生Y字型的缝隙(Y-接合部)，此缝隙为应力集中发生区域，是最脆弱的部位。

因此，如图3b所示，以往在裙部-筒体组件中插入三角形的软化带(SofteningStrip)，其余缝隙插入短插件(Short Insert)的方法来解决Y-接合部脆弱的问题。

但是，这种方式的缺点是，需要工艺时间长、费用增加、黏贴部位多，稍有不慎就会产生缺陷的可能性增加。

(4)储存燃料、推进剂等液体的罐体需要有防止内容物晃动的结构。但是，现有的低温储罐(发射器推进剂储罐)没有此类的结构。

因此，需要开发能解决上述问题的发射器推进剂储罐。

发明内容

发明所要解决的问题

本发明是为解决上述问题而提出的，目的在于提供如下的复合材料内部框架多重接合型筒体及包含该筒体的外壳一体型发射器推进剂储罐及其制备方法，为了缩短工艺时间并降低制造成本，简化工艺，提高作业者的安全性，并使缺陷最小化，制造环形与圆顶形的多个内部框架后，预先移除模具再进行接合，接合时利用可形成防止晃动的挡板(Baffle)结构的筒体，来制造外壳一体型发射器推进剂储罐。在制造筒体时形成作为筒体及外壳(裙部)的脆弱部位的Y-接合部，以使现有的插入形式的软化带与筒体一体化。

用于解决问题的方案

用于实现上述目的，根据本发明实施例的复合材料内部框架多重接合型筒体，包括：圆筒部，由多个内部框架(Inner Frame)接合而成；以及圆顶部，由接合在上述圆筒部的上端或下端的圆顶框架(Dome Frame)组成。

其中，上述内部框架及圆顶框架通过向各末端内侧突出的法兰来二次接合(Secondary Bonding)，从而形成挡板(Baffle)结构。

另外，对于上述圆顶框架的曲率，以椭圆形复合材料内部框架多重接合型筒体为基准，短轴/长轴比例为0.76～0.91。

其次，包含根据本发明实施例的复合材料内部框架多重接合型筒体的外壳一体型发射器推进剂储罐，其包括：上述复合材料内部框架多重接合型筒体；圆筒形的外壳，附加在所述复合材料内部框架多重接合型筒体的外侧；及人孔盖，用于密封形成在所述圆顶框架中心部的人孔盖结合孔，一侧形成有流体注入口。

另外，在所述圆顶框架的侧部具有沿着圆周形成的软化带(Softening Strip)，所述软化带向侧方突出而与圆顶框架形成一体。

另外，上述外壳可形成为由复合材料多重叠加而成的实心层压板(SolidLaminate)状。

其次，复合材料内部框架多重接合型筒体的制备方法，包括：制造多个内部框架及2个圆顶框架的步骤；对上述制造好的内部框架及圆顶框架进行非破坏性检查的步骤；将上述多个内部框架及2个圆顶框架二次接合(Secondary Bonding)来形成筒体的步骤。

其次，包含复合材料内部框架多重接合型筒体的外壳一体型发射器推进剂储罐的制备方法，包括：在复合材料内部框架多重接合型筒体上安装外壳模具的步骤；在上述外壳模具上层压(Lay-up)复合材料，一体粘合(Co-bonding)后形成筒体-外壳组件的步骤；将上述筒体-外壳组件固化后检查的步骤；及在上述完成检查的筒体-外壳组件的筒体上接合人孔盖，来完成推进剂储罐的步骤。

发明效果

根据本发明实施例的外壳一体型发射器推进剂储罐，制造环形与圆顶形的多个框架后，预先移除模具再进行接合，接合时利用可形成防止晃动的挡板(Baffle)结构的筒体，来制造外壳一体型发射器推进剂储罐，并且，在制造筒体时形成作为筒体及外壳的脆弱部位的Y-接合部，以使现有的插入形式的软化带与筒体一体化，因此，可缩短工艺时间并降低制造成本，简化工艺，提高作业者的安全性，并使缺陷最小化，提高Y-接合部的紧固性，保证发射器推进操作的安全。

附图说明

图1是现有的CCTD的低温储罐的结构图。

图2是制造图1的CCTD的低温储罐的流程图。

图3a及图3b是图1的CCTD的低温储罐的Y-接合部的详细图。

图4是根据本发明实施例的复合材料内部框架多重接合型筒体的立体图。

图5是根据本发明实施例的复合材料内部框架多重接合型筒体的分解立体图。

图6是根据本发明实施例的复合材料内部框架多重接合型筒体的截面立体图。

图7是根据本发明实施例的外壳一体型发射器推进剂储罐的立体图。

图8是根据本发明实施例的外壳一体型发射器推进剂储罐的分解立体图。

图9是根据本发明实施例的外壳一体型发射器推进剂储罐的Y-接合部的放大图。

图10是作为图9的外壳一体型发射器推进剂储罐的一部分的圆顶框架的详细图。

图11的(a)及(b)是根据本发明实施例的外壳一体型发射器推进剂储罐的人孔盖紧固部的详细图。

图12是根据本发明实施例的外壳一体型发射器推进剂储罐的制造流程图。

具体实施方式

根据本发明实施例的复合材料内部框架多重接合型筒体，包括：圆筒部，由多个内部框架(Inner Frame)接合而成；以及圆顶部，其由接合在上述圆筒部的上端或下端的圆顶框架(Dome Frame)组成。

包含根据本发明实施例的复合材料内部框架多重接合型筒体的外壳一体型发射器推进剂储罐，包括：上述复合材料内部框架多重接合型筒体；圆筒形外壳，其附加在上述复合材料内部框架多重接合型筒体的外侧；及人孔盖，用于密封形成在上述圆顶框架中心部的人孔盖结合孔，其一侧形成有流体注入口。

根据本发明实施例的复合材料内部框架多重接合型筒体的制备方法，其特征在于，包括：制造多个内部框架及2个圆顶框架的步骤；对上述制造好的内部框架及圆顶框架进行非破坏性检查的步骤；将上述多个内部框架及2个圆顶框架二次接合(SecondaryBonding)来形成筒体的步骤。

包含根据本发明实施例的复合材料内部框架多重接合型筒体的外壳一体型发射器推进剂储罐的制备方法，包括：在复合材料内部框架多重接合型筒体上安装外壳模具的步骤；在上述外壳模具上层压(Lay-up)复合材料，一体粘合(Co-bonding)后形成筒体-外壳组件的步骤；将上述筒体-外壳组件固化后检查的步骤；及在上述完成检查的筒体-外壳组件的筒体上结合人孔盖(manhole cover)，来完成推进剂储罐的步骤。

最佳实施方式

以下，参照图对本发明进行说明，并不局限于特定的实施方式，可变换多种形式并有多种实施例。另外，以下说明的内容应理解为本发明的技术思想及技术范围内与之等同的变换、同等物、替代物均包括在内。

以下说明中采用第一、第二等术语说明多种结构要素，其术语本身没有赋予含义，仅仅是为了将该结构要素与其他结构要素区分。

在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的构成要素。

除非文中没有明确特指，本发明中单数的表达也包括复数含义。另外，在下文中记载的“包含”、“具备”或者“具有”等术语应理解为是用于指定说明书所记载的特征、数字、步骤、操作、构成要素、部件或者这些要素的组合的存在性，而没有事先排除一个或者一个以上的其他特征、数字、步骤、操作、构成要素、部件或者这些要素的组合的存在或者附加的可能性。

以下，参照图4至图12，对根据本发明实施例的复合材料内部框架多重接合型筒体及包含该筒体的外壳一体型发射器推进剂储罐及其制备方法进行详细的说明。

图4是根据本发明实施例的复合材料内部框架多重接合型筒体的立体图，图5是根据本发明实施例的复合材料内部框架多重接合型筒体的分解立体图，图6是根据本发明实施例的复合材料内部框架多重接合型筒体的截面立体图。

参照图4至图6，根据本发明实施例的复合材料内部框架多重接合型筒体100由圆筒部110及圆顶部120组成。

具体地，圆筒部110是圆筒形结构，由多个环(ring)状的内部框架115接合而成。这里，接合了4个环(ring)状的内部框架115，但这只是示例性而不是限定性的，如上所述，只要形成多个环都可以。

另外，上述接合可使用粘合剂(Adhesive Bonding Joint)来接合。但是，上述接合方式只是最佳方式，并不一定限定于此，根据需要也可采用焊接式或铆钉结合等紧固方式。

另外，在上述例子中，例举了形成一定长度的环(ring)状，但实际上也可以包含比环(ring)形更长的圆筒形。也就是说，组装发射器时对推进剂储罐的体积有要求，如只想用2个环形内部框架115来形成上述推进剂储罐，这时只能选用圆筒形来形成。

换句话说，构成圆筒部110的内部框架115可以是中空的环(ring)状或者圆筒形(cylinder)。

圆顶部120是圆筒部110的盖子，由结合在圆筒部110上端和下端的圆顶框架125构成。也就是说，圆顶部120可以由圆顶形的上端圆顶框架125-1与圆顶形的下端圆顶框架125-2构成。

对于圆顶框架125，构成圆顶的末端可形成为平截面，其中心部形成有人孔盖结合孔127。该孔用于结合后述的人孔盖300。有关人孔盖300的结合将在后述中详细地说明。

上述圆筒部110的内部框架115与圆顶部120的圆顶框架125相互接合形成本发明的筒体，此时内部框架115与圆顶框架125接合可通过接合端，即内部框架115与圆顶框架125的各末端向内侧形成突出的法兰130来进行二次接合(Secondary Bonding)。

也就是说，参照图中形成有法兰130的环形内部框架115是具有凹形截面的圆形。

利用上述法兰130的内部框架115与圆顶框架125之间的二次接合的结构，增大了接合面积，从而提高了接合强度，另一方面，也具有形成挡板(Baffle)结构的效果。所谓挡板(Baffle)结构是用于防止罐内部的液体等内容物晃动的结构，法兰130可对液体的晃动起到干扰的作用，避免推进阻力及脱离轨道等，并起到降低晃动(slushing)的效果。

另一方面，圆筒部110与圆顶部120组装而成的本发明实施例的复合材料内部框架多重接合型筒体100，可在圆筒部110与圆顶部120组装时形成椭圆形，此时，圆顶部120的圆顶框架125以椭圆形筒体为基准，可形成短轴/长轴的比例(Elliptical Ratio)为0.76～0.91的曲率。此时，以椭圆形筒体为基准，圆顶框架125曲率的短轴/长轴比例不足0.76时会产生屈曲现象，超过0.91时有可能无法达到内体积的要求。

如上述构成的根据本发明实施例的复合材料内部框架多重接合型筒体100，不仅提高接合强度，同时还具有可以形成防止液体晃动的挡板(Baffle)结构的优点。另外，其为组装多个内部框架的组装式类型，具有简化了工艺，而且缩小或扩大体积的设计变更也变得容易，降低模具的制造成本及重量轻量化的优点。

另外，根据本发明实施例的外壳一体型发射器推进剂储罐可包含上述复合材料内部框架多重接合型筒体100。对此，将参照图7至图11进行说明。

图7是根据本发明实施例的外壳一体型发射器推进剂储罐的立体图，图8是根据本发明实施例的外壳一体型发射器推进剂储罐的分解立体图，图9是根据本发明实施例的外壳一体型发射器推进剂储罐的Y-接合部的放大图，图10是作为图9的外壳一体型发射器推进剂储罐的一部分的圆顶框架的详细图，图11的(a)及(b)是根据本发明实施例的外壳一体型发射器推进剂储罐的人孔盖紧固部的详细图。

参照图7至图11，本发明的实施例的外壳一体型发射器推进剂储罐，包括：上述复合材料内部框架多重接合型筒体100；外壳200；及人孔盖300。

这里的复合材料内部框架多重接合型筒体100与参照图1至图3说明的复合材料内部框架多重接合型筒体100相同，所以省略其说明。

外壳200是附加在复合材料内部框架多重接合型筒体100的外侧的结构，可以制成圆筒形。此时，外壳200从圆筒部110及复合材料内部框架多重接合型筒体100的圆顶框架125侧部向侧方突出，且可与沿着圆周形成的软化带150(Softening Strip)相抵接。

也就是说，复合材料内部框架多重接合型筒体100的圆顶框架125的侧部，具有沿着圆周与圆顶框架125一体化形成的向侧方突出的软化带150。

这样，圆顶部120具有曲率面的结构导致与外壳200产生应力集中的最脆弱的部位，即Y-接合部，在无其他附加插入部件的情况下也能达到加固的效果。另外，可因此缩短工艺时间，加大接合面积，提高结构的安全性。

这里，软化带150的突出形状由凹陷部152及从凹陷部152向下向内倾斜延伸的倾斜部154所组成，但并不局限于此，也可以是突出的直角形状。

另外，外壳200可形成为由复合材料多重叠加形成的实心层压板(SolidLaminate)。

为了减轻外壳的重量，现有的构成发射器推进剂储罐的外壳，多数使用内部空的槽(Flutted)芯型板来制成，相比之下，实心层压板虽然单位体积重量会有所增加，但考虑到满足推进剂储罐的内部体积及结构上的安全性的合适的外壳厚度，根据罐体的容量，实心层压板可能是更为适合的。

另外，相比现有的工艺，通过在复合材料内部框架多重接合型筒体100上安装模具并层压外壳的一体粘合(Co-Bonding)工艺，可提高筒体与外壳间的结合力，具有简化工具(Tooling)及制造工艺的优点。

同时，人孔盖300结合在圆顶框架125中心部，可密封人孔盖结合孔127。另外，人孔盖300一侧形成有流体注入口310。其中，人孔盖300可与圆顶框架125以螺栓结合，其结构是在圆顶框架125上沿着人孔盖结合孔127的周围形成多个插入孔410，在插入孔410插入插件420(Insert)后，注入粘合剂(Adhesive)并固化，在其上端放置人孔盖300，将螺栓430插入到插件420中并拧紧。

另外，圆顶框架125与人孔盖300之间安装有一个以上的用于密封的密封部440(seal)。

以下，参照图12说明，根据本发明实施例的复合材料内部框架多重接合型筒体的制备方法及包含复合材料内部框架多重接合型筒体的外壳一体型发射器推进剂储罐的制备方法。

图12是根据本发明实施例的外壳一体型发射器推进剂储罐的制造流程图。

参照图12，根据本发明实施例的复合材料内部框架多重接合型筒体的制备方法包括：制造多个内部框架115及2个圆顶框架125的步骤；对上述制造好的内部框架115及圆顶框架125进行非破坏性检查的步骤；将上述多个内部框架115及2个圆顶框架125二次接合(Secondary Bonding)来形成筒体的步骤。

这里的内部框架可以是环(ring)状或者圆筒形(cylinder)。

另外，制造多个内部框架的步骤可分为：第一步骤，在模具上层压(Lay-up)复合材料；第二步骤，固化上述层压的复合材料来形成内部框架115的步骤；第三步骤，移除形成在上述内部框架115上的模具；第四步骤，重复第一步骤至第三步骤，制作多个内部框架115；以及第五步骤，检查制造的内部框架115。

这里，形成上述内部框架的模具可以是环(ring)状，也可以由多个分体组装而成。此时，多个分体可以是同样的形状，优选地，如图所示，以模具中心为基准，向周围以十字形(+)切开的形状。这样的优点是，如果在上述第三步骤时移除多个分体中的一个，则其他分体也可以轻松移除。

另外，制造2个圆顶框架的步骤是通过圆顶框架模具来制造。圆顶框架模具设置为制造圆顶框架125时以半球形状的凹陷而成，在形成筒体-外壳组件时置于Y-接合部的软化带(Softening strip)所需形成的空间也设置在圆顶框架模具的侧部。

由此，可以将软化带与圆顶框架125一体化制造。

对于圆顶框架125的制造，可通过在圆顶框架模具的半球形状的凹陷的内表面用AFP等设备层压复合材料，以该状态直接固化后移除模具的方式来制造。

对于将上述多个内部框架115及2个圆顶框架125接合形成筒体的步骤，可利用多边形的下端底座部与包含从上述下端底座部垂直延长的多个垂直杆的垂直支撑台(Vertical Tool)来进行接合。

具体地，在垂直支撑台的中心部固定下端圆顶框架125-2后，将多个内部框架115一个一个反复地进行装载与接合，最终接合至上端圆顶框架125-1。之后，为了使得用于接合圆顶框架与内部框架的各个面的粘合剂更均匀地分布，在垂直杆上设置加压装置后，将上端圆顶框架125-1向下方施压完成筒体的制造。

同时，完成的筒体需要最终检查，检查可以采用超声波检查。但是，此前内部框架115及圆顶框架125分别进行了非破坏性检查，所以不进行筒体的最终检查也无妨。

如此，复合材料内部框架多重接合型筒体的制备方法是通过制作同一形状的内部框架制造而成的，因此可以简化夹具(jig)，组装简单，可利用小型工具(Tool)制造，尤其达到了省略筒体完成后无需移除模具的效果。

另外，根据本发明实施例的包含复合材料内部框架多重接合型筒体的外壳一体型发射器推进剂储罐的制备方法是附上外壳后，将筒体、软化带、外壳一体化制造的方法，其步骤可包括：在复合材料内部框架多重接合型筒体上安装外壳模具的步骤；在上述外壳模具上层压(Lay-up)复合材料，一体粘合(Co-bonding)后形成筒体-外壳组件的步骤；上述筒体-外壳组件固化后进行检查的步骤；及在上述完成检查的筒体-外壳组件的筒体上结合人孔盖，来完成推进剂储罐的步骤。

其中，如上所述，在筒体-外壳组件中复合材料内部框架多重接合型筒体的圆顶框架侧部，向侧方突出的软化带(Softening Strip)以沿着圆周形成的状态与外壳接合，所以能够缩短工艺时间，加大接合面积，提高结构的安全性。

另外，在外壳模具上层压(Lay-up)复合材料时，可在AFP(Automated FiberPlacement)装备适配器上安装外壳模具(SAF，Skirt Alignment Fixture)来层压。筒体-外壳组件固化后的检查可采用超声波检查。

另外，如上述人孔盖300的结合利用插件420来结合，用密封部440来密封，所以有提高气密性的优点。

同时，本发明的外壳一体型发射器推进剂储罐是筒体、软化带、外壳一体化制造而成的状态下，附上纤维增强复合材料的机身外壳，因此具有在多种应力作用下也可以有很强的耐久性的优点。

以上参照附图说明了本发明的实施例，本发明技术领域的技术人员应理解，在不脱离本发明的技术思想及本质特性的范围内，可有多种修改及变形。因此，本发明公开的实施例不是为了限定本发明的技术思想，而是用于说明本发明的。