運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及復(fù)合材料成型，具體地涉及一種運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航天科技的發(fā)展，對(duì)航天器性能的提高越來(lái)越受到各發(fā)達(dá)國(guó)家的重視。如何提高航天器的運(yùn)載效率、降低成本成為了未來(lái)航天運(yùn)載火箭以及航天飛行器的重要研究?jī)?nèi)容。燃料貯箱作為未來(lái)進(jìn)行低地球軌道載人深空探索任務(wù)的航天器的關(guān)鍵部件，成為了減重的重點(diǎn)?，F(xiàn)有的低溫燃料貯箱都是由金屬材料制造，最初是由牌號(hào)為2219的鋁材制備，后來(lái)改用牌號(hào)為2195的鋰鋁合金。近年來(lái)，由于新一代航天器對(duì)材料的輕質(zhì)和低成本提出了更高的要求，而貯箱通常占據(jù)航天器總重量的60 %左右，因此貯箱的減重需要從材料入手，而具有高比強(qiáng)度、比模量的復(fù)合材料成為各國(guó)航天企業(yè)關(guān)注的未來(lái)航天器貯箱的重要材料，而金屬貯箱被復(fù)合材料完全替代技術(shù)也被國(guó)際公認(rèn)為是“改變游戲規(guī)則”的技術(shù)。圖1表明了在相同體積與性能情況下2219合金、2195合金和復(fù)合材料三種材料制得的低溫貯箱的質(zhì)量比較。從圖1可知，相對(duì)于2219合金低溫貯箱復(fù)合材料低溫貯箱可減重40%左右，而相對(duì)于鋰鋁合金可減重30%以上，因而開展液氧貯箱復(fù)合材料的研究具有巨大的誘惑力和應(yīng)用前景。
[0003]根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研，現(xiàn)有的以碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料作為纏繞層的壓力容器的成型形式多為內(nèi)襯(包括金屬內(nèi)襯、塑料內(nèi)襯以及氣囊)上纏繞成型，其中復(fù)合材料材料層僅作為結(jié)構(gòu)層。而本發(fā)明專利中所涉及的全復(fù)合材料貯箱，復(fù)合材料層既作為結(jié)構(gòu)層，也作為燃料的密封層，因此對(duì)樹脂基體和纏繞工藝提出了更高的要求。要求在材料和工藝上要解決復(fù)合材料層的低溫抗裂紋以及液氧相容性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱及其制造方法，從而實(shí)現(xiàn)了貯箱減重，從而有效提高航天器的運(yùn)載效率、降低火箭發(fā)射成本。
[0005]根據(jù)本發(fā)明提供運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱，包括筒體、短殼以及法蘭；
[0006]其中，所述短殼設(shè)置在所述筒體兩端部的外側(cè);所述法蘭的一端部設(shè)置在所述筒體兩端部的內(nèi)側(cè)，另一端部由所述筒體的開口伸出。
[0007]優(yōu)選地，所述筒體的厚度為2-10mm，所述短殼的厚度為5-10mm。
[0008]優(yōu)選地，所述法蘭為采用T700碳纖維/改性樹脂預(yù)浸料手工鋪層，熱壓罐加熱加壓固化成型方法完成，所述法蘭厚度為10-20mm。
[0009]本發(fā)明提供的所述的運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱的制造方法，包括如下步驟:
[0010]步驟1:法蘭采用碳纖維/改性樹脂單向預(yù)浸料手工鋪層，熱壓罐加熱加壓固化成型；
[0011 ]步驟2:將復(fù)合材料組合式芯模拼接完整后放置于纏繞機(jī)，并將成型好的法蘭定位于所述芯模兩側(cè)；
[0012]步驟3:用與改性樹脂膠液混合后的碳纖維以螺旋和環(huán)向形式完全包覆所述芯模表面，進(jìn)行濕法纏繞，形成纏繞層，并進(jìn)行短殼的纏繞，纏繞至設(shè)定層數(shù)后停止；
[0013]步驟4:將完成纏繞工藝的貯箱放入固化爐中進(jìn)行固化；
[0014]步驟5:固化完成后將所述芯模脫去得到所述運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱。
[0015]優(yōu)選地，所述筒體、短殼纏繞所用的碳纖維為T700-碳纖維，所述改性樹脂采用改性環(huán)氧或改性氰酸酯樹脂。
[0016]優(yōu)選地，所述的法蘭為采用T700碳纖維/改性樹脂預(yù)浸料手工鋪層，熱壓罐加熱加壓固化成型方法完成。
[0017]優(yōu)選地，所述筒體的厚度為2-10mm，所述短殼的厚度為5-10_;所述法蘭的厚度為10-20mmo
[0018]優(yōu)選地，鋪層角度為[0°/±45°/90°]15，15次表示該角度纏繞循環(huán)的次數(shù)為15次。
[0019]優(yōu)選地，固化的溫度具體為:室溫升溫30分鐘至100°C，保溫1小時(shí)；100°C升溫20分鐘至120°C，保溫2小時(shí)；120°C升溫20分鐘至140°C，保溫2小時(shí)；降溫至60°C，自然冷卻至室溫，打開爐門。
[0020]優(yōu)選地，纏繞層的鋪層次序?yàn)閇±90°3/±14°3]2+[±90°2]，下標(biāo)分別表示相對(duì)應(yīng)線型循環(huán)的次數(shù)。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0022]1、本發(fā)明中的運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱與現(xiàn)有的鋰鋁合金液氧貯箱相比可減重30%，可有效提高航天器的運(yùn)載效率、降低火箭發(fā)射成本；
[0023]2、本發(fā)明中運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布局合理，易于推廣。
【附圖說(shuō)明】
[0024]通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0025]圖1為2219合金、2195合金和復(fù)合材料三種材料制得的低溫貯箱的質(zhì)量比較；
[0026]圖2為本發(fā)明中運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖中:
[0028]1為筒體；
[0029]2為短殼；
[0030]3為法蘭。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0032]在本實(shí)施例中，本發(fā)明提供的運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱，包括筒體、短殼以及法蘭;其中，所述短殼設(shè)置在所述筒體兩端部的外側(cè);所述法蘭的一端部設(shè)置在所述筒體兩端部的內(nèi)側(cè)，另一端部由所述筒體的開口伸出。
[0033]所述筒體和短殼采用T700碳纖維/改性樹脂濕法纏繞，固化爐加熱固化成型方法完成，所述筒體的厚度為2-10mm，所述短殼的厚度為5-10mm。所述法蘭為采用T700碳纖維/改性樹脂預(yù)浸料手工鋪層，熱壓罐加熱加壓固化成型方法完成，所述法蘭的厚度為10-20mm ο
[0034]本發(fā)明提供的所述的運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱的制造方法，包括如下步驟:
[0035]步驟1:法蘭采用碳纖維/改性樹脂單向預(yù)浸料手工鋪層，熱壓罐加熱加壓固化成型；
[0036]步驟2:將復(fù)合材料組合式芯模拼接完整后放置于纏繞機(jī)，并將成型好的法蘭定位于所述芯模兩側(cè)；
[0037]步驟3:用與改性樹脂膠液混合后的碳纖維以螺旋和環(huán)向形式完全包覆所述芯模表面，進(jìn)行濕法纏繞，形成纏繞層，并進(jìn)行短殼的纏繞，纏繞至設(shè)定層數(shù)后停止；
[0038]步驟4:將完成纏繞工藝的貯箱放入固化爐中進(jìn)行固化；
[0039]步驟5:固化完成后將所述芯模脫去得到所述運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱。
[0040]所述筒體、短殼纏繞所用的碳纖維為Τ700-碳纖維，所述改性樹脂采用改性環(huán)氧或改性氰酸酯樹脂。所述的法蘭為采用Τ700碳纖維/改性樹脂預(yù)浸料手工鋪層，熱壓罐加熱加壓固化成型方法完成。
[0041]所述筒體的厚度為2-10mm，所述短殼的厚度為5-10mm;所述法蘭的厚度為10-20mm。其中法蘭的鋪層角度為[0°/±45°/90°]15。15次表示該角度纏繞循環(huán)的次數(shù)為15次。筒體與短殼的纏繞層的纏繞角度次序?yàn)?
[0042][ ± 90° 3/ ± 14° 3 ] 2+ [ ± 90° 2 ]，下標(biāo)分別表示相對(duì)應(yīng)線型循環(huán)的次數(shù)。如90°的線形循環(huán)3次。固化的溫度具體為:室溫升溫30分鐘至100°C，保溫1小時(shí)；100°C升溫20分鐘至120°C，保溫2小時(shí)；120°C升溫20分鐘至140°C，保溫2小時(shí)；降溫至60°C，自然冷卻至室溫，打開爐門。
[0043]本發(fā)明中的運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱與現(xiàn)有的鋰鋁合金液氧貯箱相比可減重30%，可有效提高航天器的運(yùn)載效率、降低火箭發(fā)射成本;本發(fā)明中運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布局合理，易于推廣。
[0044]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱，其特征在于，包括筒體、短殼以及法蘭； 其中，所述短殼設(shè)置在所述筒體兩端部的外側(cè);所述法蘭的一端部設(shè)置在所述筒體兩端部的內(nèi)側(cè)，另一端部由所述筒體的開口伸出。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱，其特征在于，所述筒體和短殼采用T700碳纖維/改性樹脂濕法纏繞，固化爐加熱固化成型方法完成，所述筒體的厚度為2-101111]1，所述短殼的厚度為5-101111]1。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱，其特征在于，所述法蘭為采用T700碳纖維/改性樹脂預(yù)浸料手工鋪層，熱壓罐加熱加壓固化成型方法完成，所述法蘭厚度為10_20mm。4.一種權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱的制造方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1:法蘭采用碳纖維/改性樹脂單向預(yù)浸料手工鋪層，熱壓罐加熱加壓固化成型； 步驟2:將復(fù)合材料組合式芯模拼接完整后放置于纏繞機(jī)，并將成型好的法蘭定位于所述芯模兩側(cè)； 步驟3:用與改性樹脂膠液混合后的碳纖維以螺旋和環(huán)向形式完全包覆所述芯模表面，進(jìn)行濕法纏繞，形成纏繞層，并進(jìn)行短殼的纏繞，纏繞至設(shè)定層數(shù)后停止； 步驟4:將完成纏繞工藝的貯箱放入固化爐中進(jìn)行固化； 步驟5:固化完成后將所述芯模脫去得到所述運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱的制造方法，其特征在于，所述筒體、短殼纏繞所用的碳纖維為T700-碳纖維，所述改性樹脂采用改性環(huán)氧或改性氰酸酯樹脂。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱的制造方法，其特征在于，所述的法蘭為采用T700碳纖維/改性樹脂預(yù)浸料手工鋪層，熱壓罐加熱加壓固化成型方法完成。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱的制造方法，其特征在于，所述筒體和短殼采用T700碳纖維/改性樹脂濕法纏繞，固化爐加熱固化成型方法完成，所述筒體的厚度為2-10mm，所述短殼的厚度為5-10mm;所述法蘭的厚度為10-20mm。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱及其制造方法，包括筒體、短殼以及法蘭；其中，所述短殼設(shè)置在所述筒體兩端部的外側(cè)；所述法蘭的一端部設(shè)置在所述筒體兩端部的內(nèi)側(cè)，另一端部由所述筒體的開口伸出。所述筒體和短殼采用T700碳纖維/改性樹脂濕法纏繞，固化爐加熱固化成型方法完成，所述筒體的厚度為2-10mm，所述短殼的厚度為5-10mm。所述法蘭為采用T700碳纖維/改性樹脂預(yù)浸料手工鋪層，熱壓罐加熱加壓固化成型方法完成，所述法蘭厚度為10-20mm。本發(fā)明中的運(yùn)載火箭用全復(fù)合材料低溫液氧貯箱與現(xiàn)有的鋰鋁合金液氧貯箱相比可減重30％，可有效提高航天器的運(yùn)載效率、降低火箭發(fā)射成本。
【IPC分類】B29C53/60, F17C1/06, B29C70/44
【公開號(hào)】CN105437572
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510926791
【發(fā)明人】王曉蕾, 沈峰, 李川, 劉千立, 李世成, 田杰
【申請(qǐng)人】上海復(fù)合材料科技有限公司
【公開日】2016年3月30日
【申請(qǐng)日】2015年12月11日