МЕТАЛЛОПЛАСТИКОВЫЙ БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
REINFORCED PLASTIC HIGH-PRESSURE BOTTLE OF A SPACECRAFT

Изобретение относится к общему машиностроению и может быть использовано на космических аппаратах (КА) для хранения и расходования газов под высоким давлением в сжатом, сжиженном или твердом их первоначальном состоянии.
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). 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 то, что из-за повышенной концентрации механических нагрузок на узел соединения фланца с другими элементами конструкции, он выполнен громоздким и не обеспечивает высокой надежности работы баллона.
В качестве прототипа выбран «Металлопластиковый баллон высокого давления» (патент РФ №2554699), содержащий 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.
Недостаток прототипа заключается в недостаточно высокой надежности работы устройства. Причиной этому является то, что элементы для резьбового крепления конструкции металлопластикового баллона, выполненные с пластинами, имеющими отверстия, не обеспечивают достаточно равномерное натяжение ленты и ленточных петель, посредством которых баллон подвешивают по периметру соединения его днищ к местам крепления на КА. Регулировку равномерности натяжения лент осуществляют только изменением положения жесткой пластины. При незначительном отличии длины лент они будут натянуты неравномерно, вследствие этого в процессе воздействия ударно-вибрационных нагрузок на ленты при выведении КА на орбиту ракетой-носителем, механические нагрузки, не воспринимаемые ненатянутыми лентами, будут дополнительно усиливать нагрузки на натянутые ленты. Это снижает суммарную прочность всех лент, снижает надежность крепления баллона, ставит перед необходимостью дополнительно упрочнять ленты и лейнер, усложнять процесс изготовления и крепления баллона.
Задачей изобретения является повышение надежности работы устройства.
Поставленная задача решена за счет того, что металлопластиковый баллон высокого давления космического аппарата содержит металлический лейнер, выполненный из верхнего и нижнего выпуклых днищ одинаковой толщины, герметично соединенных по периметру их краев; внешнюю упрочняющую армирующую оболочку, выполненную по всей наружной поверхности лейнера с элементами крепления баллона к космическому аппарату, выполненными одной и той же лентой в процессе намотки армирующей оболочки, при этом ленты образуют петли, равномерно размещенные снаружи по периметру соединения краев днищ, соседние петли попарно скреплены при помощи пластин в одной точке, при этом все пластины находятся на равноудаленном от баллона расстоянии и каждая из них выполнена с отверстием под резьбовое соединение с применением болта, гайки и шайб; каждая шайба выполнена с кольцевой выпуклой сферической поверхностью в месте контакта ее с отверстием пластины и в месте крепления баллона на КА, которое выполнено в форме втулки с внутренней поверхностью в виде усеченного конуса, меньший диаметр которого больше диаметра болта и имеет ответную сопряженную поверхностью под сферическую поверхность шайбы, а основание конуса направлено в сторону соединения с пластиной, отверстие которой выполнено с ответной сопряженной поверхностью под сферическую поверхность второй шайбы.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг. 1 - металлопластиковый баллон, вид спереди и сверху.
На фиг. 2 - элемент крепления конструкции металлопластикового баллона.
На фиг. 3 - металлопластиковый баллон в разрезе А-А по элементу крепления баллона к КА (вариант крепления на контейнере КА).
Металлопластиковый баллон высокого давления космического аппарата содержит металлический лейнер 1, выполненный из верхнего и нижнего выпуклых днищ 2, 3 одинаковой толщины, герметично соединенных по периметру их краев; внешнюю упрочняющую армирующую оболочку 4, выполненную по всей наружной поверхности лейнера 1 с элементами крепления баллона, выполненными лентами 5 в процессе намотки армирующей оболочки 4. При этом ленты 5 образуют петли, равномерно размещенные снаружи днищ 2, 3; соседние петли попарно жестко закреплены на пластинах 6 по периметру соединения краев днищ в одной точке с равномерным натяжением при креплении баллона, при этом все пластины 6 находятся на равноудаленном от баллона расстоянии и каждая из них выполнена с отверстием 7 для возможности крепления баллона резьбовым соединением к местам крепления 8 баллона на контейнере космического аппарата, выполненным в виде втулок с отверстиями 14.
Каждое резьбовое соединение выполнено с применением болта 9, гайки 10 и шайб 11 и 12. Гайка 10 выполнена с элементом законтривания ее относительно болта 9, например, штифтом 13. Каждая шайба 11, 12 выполнена с кольцевой выпуклой сферической поверхностью в месте контакта ее соответственно с отверстием 7 пластины 6 и отверстием втулки 14. Отверстие 7 выполнено с ответной сопряженной поверхностью под сферическую поверхность шайбы 11. Место крепления 8 выполнено в форме втулки с внутренней поверхностью в виде усеченного конуса, меньший диаметр которого больше диаметра болта 9 и имеет ответную сопряженную поверхность под сферическую поверхность шайбы 12. Основание конуса направлено в сторону соединения с пластиной 6. Данная конструкция узла крепления дает возможность скольжения болта 9 относительно отверстия пластины 6 и вращения болта относительно внутренней конической поверхности втулки 14.
На фиг. 3 место крепления 8 на контейнере показано, для примера, выполненным заодно с верхней частью контейнера КА и с наружным фланцем для соединения его с фланцем контейнера КА посредством болтового соединения.
Для обеспечения требований технической документации по прочности конструкции металлопластикового баллона, намотка упрочняющей армирующей оболочки 4 выполнена послойно с количеством слоев, полностью перекрывающих поверхность лейнера 1.
В предложенном устройстве при установке баллона на КА, по сравнению с прототипом, обеспечивается повышенная надежность за счет более равномерного натяжения лент 5 элементов крепления 8 по всему периметру соединения днищ 2, 3 лейнера 1. Это достигнуто за счет выполнения узлов крепления с применением описанных выше конструктивных элементов. Такая конструкция элементов крепления 8 баллона обеспечила дополнительные степени свободы для равномерного натяжения лент 5 для всех элементов крепления 8 и тем самым более равномерного распределения механических нагрузок на баллон при выведении КА на орбиту, в результате чего стало возможным повысить надежность работы баллона и КА в целом.
Шайбы 11, 12 выполнены из материалов, например, из бронзы, или фторопласта, которые образуют пары со сниженными коэффициентами трения с материалами, из которых выполнены соответственно пластины 6 и втулки 14, например, из алюминия. Это позволило снизить трение при работе пар полусферических шайб и тем самым обеспечить более равномерные натяжения и нагрузки на ленты 5, дополнительно повысить надежность работы устройства и КА в целом.
Технический эффект более равномерного натяжения лент 5 обеспечивается работой пар полусферических шайб каждого элемента крепления 8 не только при установке баллона на КА, но и во время выведения КА на орбиту ракетой-носителем. При этом за счет работы одновременно всех пар полусферических шайб осуществляется выравнивание как общих, так и локальных ударных и вибрационных нагрузок по всем лентам 5, что обеспечивает дополнительное повышение надежности работы баллона.
В настоящее время устройство находится на стадии наземной отработки с перспективой его применения на космических аппаратах последних разработок.