專利名稱：一種輕質網式表面張力貯箱的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種輕質網式表面張力貯箱，特別適用于高軌衛星以及深空探測器，大大提聞其有效載荷能力。
背景技術：
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，在規定的流量和加速度條件下，為發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，它分為網式和板式兩種。第一代表面張力貯箱都是網式結構的，它利用液體的表面張力通過篩網來收集推進劑，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絕對的主導地位，目前除了俄羅斯沒有使用外，其它靜止軌道通信 衛星都采用表面張力貯箱。美國是研發和生產網式表面張力貯箱最早的國家，包括美國的PSI公司、PMD技術公司等，后續德國的EDS公司也完成了網式表面張力貯箱研制和在軌驗證。但該類貯箱的詳細結構設計作為公司的核心技術一直未得到公開，我國的科研工作者只能靠自身力量開展網式貯箱的研究工作。國內表面張力貯箱的研制始于上個世紀80年代初期，現有的表面張力貯箱都是網式的，屬于第一代表面張力貯箱產品，相當于國外八十年代的水平，這種貯箱曾經為我國的衛星事業做出了重要貢獻，但隨著衛星事業的不斷發展，對貯箱產品的性能要求逐漸提高。基于輕量化設計理念，提出了貯箱應具有質量輕巧、能抑制液體晃動以及抗力學環境能力強的要求。歐美國家均生產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。這些文章都是關于貯箱的一些整體結構和裝置的原理及功能介紹，沒有關于針對實際貯箱詳細結構設計的描述，不能作為我國貯箱設計的依據，因此必須根據我國衛星實際需求，開展貯箱的詳細結構設計工作
發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種可靠性高、質量輕、擴展性好、能抑止液體晃動以及抗力學環境能力強的網式表面張力貯箱，能夠滿足其它高軌衛星及深空探測器對于該類貯箱的需求。本發明技術解決方案一種輕質網式表面張力貯箱，其特征在于所述貯箱外殼結構形式由球形封頭加圓柱段的焊接組合而成；貯箱內部采用分艙式結構；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，以適應衛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節圓柱段(3)軸向長度實現，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
品的重量。本發明與現有技術相比，具有如下優點(I)本發明的輕質網式貯箱在貯箱的外形結構上采取球形封頭加中間圓柱段的結構，此結構既能適應整星的安裝需求，又能在最大程度上利用現有的空間結構采取承壓能力最強的球形容器結構。相比于其它結構形式，該結構能夠在不減弱殼體強度的前提下使殼體做到最輕，從而有效降低了產品的重量。(2)本發明的輕質網式貯箱在貯箱根據貯箱容積需求，改變中間圓柱段長度，以適應不同衛星需求，其容積可擴展性好。(3)本發明的輕質網式貯箱在管理裝置的結構形式上采取了分艙結構以及通道式布局方式。由于衛星的運行大體可分為入軌和在軌運行兩個階段，貯箱采取分艙式結構可以適應兩種不同的運行形式，推進劑管理裝置只設置在下艙，有效簡化了管理裝置的結構，使得貯箱產品更輕，推進劑管理更加高效；而采取通道式布局方式，保證了衛星在軌運行期間在各種加速度環境下的推進劑流量輸出要求。
(4)本發明的輕質網式貯箱在貯箱中間底上部設計了防晃錐，該防晃錐能夠使貯箱能夠適應不同的裝填要求，能夠有效抑止液體晃動，增強貯箱的抗力學環境能力，使得整星在不改變貯箱產品結構以及其它產品布局的前提下滿足不同的發射任務需求，有效擴大了衛星平臺的適應能力。(5)本發明推進劑管理裝置采用連接管和收集器結合的通道式布局，確保在衛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為本發明輕質網式表面張力貯箱結構示意2為本發明輕質網式表面張力貯箱防晃錐結構與布局3為本發明輕質網式表面張力貯箱壽命初期推進劑分布；
4為本發明輕質網式表面張力貯箱上艙末期推進劑分布；
5為本發明輕質網式表面張力貯箱姿軌控階段初期推進劑沉底情況；6為本發明輕質網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，板孔結構能夠增加貯箱內部的晃動阻尼，有效防止發射、變軌過程中貯箱上艙內液體晃動。本發明的輕質網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，變軌結束后推進劑將全部位于下艙空間內。而下艙中收集器9的位置布置，保證了在衛星姿、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。在衛星發射及變軌階段，貯箱內液體如圖3或圖4所示，貯箱內液體處于沉底狀態，上艙推進劑經由中間底隔板6上的中底收集器7進入下艙，此階段結束后上艙液體耗盡，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維持氣液界面的穩定，阻止氣體進入貯箱內的收集器連接管8，以保證飛行器在各種姿態飛行工作中，貯箱都能正常的連續或非連續的向發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束后上艙推進劑全部用完。本發明未詳細闡述部分屬于本領域公知技術。
權利要求
1.一種輕質網式表面張力貯箱，其特征在于所述貯箱外殼結構形式由球形封頭加圓柱段的焊接組合而成；貯箱內部采用分艙式結構；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，以適應衛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，推進劑管理裝置設置于貯箱下艙；所述氣泡陷阱(10)與液口(11)焊接。
2.如權利要求1所述的輕質網式表面張力貯箱，其特征在于所述貯箱容積縮放通過調節圓柱段(3)軸向長度實現，縮小圓柱段(3)軸向長度，則貯箱體積減小，相反則增大。
3.如權利要求1所述的輕質網式表面張力貯箱，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.如權利要求1所述的輕質網式表面張力貯箱，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.如權利要求1所述的輕質網式表面張力貯箱，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.如權利要求1或5所述的輕質網式表面張力貯箱，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.如權利要求1或5所述的輕質網式表面張力貯箱，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品的重量。
全文摘要
一種輕質網式表面張力貯箱，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。本發明可應用于各類衛星，具有重量輕、能抑止液體晃動以及抗力學環境能力強等優點。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上進行容積的擴展，能夠形成系列化產品。
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 優先權日2012年11月30日
發明者潘海林, 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