МЕТАЛЛОПЛАСТИКОВЫЙ БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
METAL-PLASTIC HIGH-PRESSURE CYLINDER

Изобретение относится к общему машиностроению и может быть использовано при производстве сосудов высокого давления из композиционных материалов, предназначенных для помещения или хранения газов в сжатом, сжиженном или твердом состоянии. В частности, может применяться для создания баллонов высокого давления сложной геометрической формы, используемых при производстве космических аппаратов (КА).
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.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является уменьшение массы устройства, не снижая прочности.
Данная задача решается за счет того, что металлопластиковый баллон высокого давления содержит металлический лейнер, имеющий нижнее и верхнее днища, внешнюю упрочняющую армирующую оболочку из ленточного композиционного материала, пропитанного связующим. Лейнер выполнен в виде эллипсоида, образованного соединением двух днищ между собой, при этом стенки лейнера выполнены одинаковой толщины. Внешняя упрочняющая армирующая оболочка выполнена по всей наружной поверхности лейнера с элементами крепления конструкции металлопластикового баллона, которые выполнены одной и той же лентой в процессе намотки армирующей оболочки лейнера, при этом ленты, образуя петли, равномерно размещенные снаружи по периметру соединения днищ, скрепляются попарно при помощи пластин в одной точке с равномерным натяжением при креплении баллона. При этом все пластины находятся на равноудаленном от баллона расстоянии и выполнены с отверстием для возможности крепления конструкции баллона резьбовым соединением.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является снижение вибрационных и ударных нагрузок на баллон при выведении КА на орбиту за счет предлагаемой подвесной конструкции крепления, что дополнительно позволяет снизить массу устройства.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - металлопластиковый баллон, вид спереди, сверху;
на фиг.2 - элемент крепления конструкции металлопластикового баллона;
на фиг.3 - металлопластиковый баллон в разрезе, вид A.
Металлопластиковый баллон высокого давления содержит металлический лейнер 1, имеющий нижнее и верхнее днища, внешнюю упрочняющую армирующую оболочку 2 из ленточного композиционного материала, пропитанного связующим. Лейнер 1 выполнен в виде эллипсоида, образованного соединением двух днищ между собой, при этом стенки лейнера 1 выполнены одинаковой толщины. Наружная поверхность лейнера 1 выполнена с нанесением антикоррозионного покрытия. Внешняя упрочняющая армирующая оболочка 2 выполнена по всей наружной поверхности лейнера 1 с элементами крепления конструкции металлопластикового баллона, которые выполнены одной и той же лентой 3 в процессе намотки армирующей оболочки 2 лейнера 1, при этом ленты 3, образуя петли, равномерно размещенные снаружи по периметру соединения днищ, скрепляются попарно при помощи пластин 4 в одной точке с равномерным натяжением при креплении баллона. При этом все пластины 4 находятся на равноудаленном от баллона расстоянии и выполнены с отверстием для возможности крепления конструкции баллона резьбовым соединением к корпусу 5 КА.
Для обеспечения требуемой прочности конструкции металлопластикового баллона намотка упрочняющей армирующей оболочки выполнена послойно необходимой толщины, количество слоев определяется в зависимости от механических свойств металла лейнера, типа армирующих волокон, а также от размеров и толщины стенок лейнера.
Металлопластиковый баллон перед установкой на КА подвергается технологической операции автофреттажа - нагружении металлопластикового баллона внутренним давлением, вызывающим в металле лейнера остаточные деформации. В результате чего, после снятия давления, в лейнере создаются сжимающие, а в армирующей оболочке из композиционного материала - растягивающие напряжения в таком соотношении, что при разрушении металлопластикового баллона металлический лейнер и армирующая оболочка, имеющие различные модули упругости, разрушаются одновременно, реализуя свою прочность полностью.
При установке металлопластикового баллона обеспечивается равномерное натяжение лент элементов крепления конструкции по всему периметру соединения днищ лейнера. Данная конструкция позволяет жестко и прочно закреплять металлопластиковый баллон с выдержкой повышенных механических нагрузок на КА.
Обеспечение оптимальных параметров намотки при изготовлении армирующей оболочки: угла намотки, натяжения ленты при намотке, перекрытия краев ленты при намотке с последующим выполнением элементов крепления конструкции металлопластикового баллона приводит к минимальному воздействию ортогональных внутренних напряжений на стенки лейнера при обеспечении заданной прочности, что позволяет не утолщать стенки и производить установку металлопластикового баллона без массивных кронштейнов крепления, что приводит к снижению массы металлопластикового баллона.
В настоящее время устройство находится на стадии завершения наземной отработки с последующим применением на космических аппаратах последних разработок.