КАПСУЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БЕСШОВНОГО ТОПЛИВНОГО БАКА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
CAPSULE FOR PRODUCING SEAMLESS FUEL TANK AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к изготовлению топливных баков для ракетных и космических аппаратов, в частности к устройствам, выполненным в виде одноразовых пластически деформируемых капсул, которые предназначены для изготовления или формирования корпуса топливного бака ракетной и космической техники из гранул фракционного состава высокопрочного титанового сплава, полученных методом гранульной металлургии, с использованием горячего изостатического прессования. Изобретение может быть использовано для изготовления емкостей сложной геометрической формы в этих и других областях техники, где изготавливаются подобные баки.
Известна обечайка топливного бака для ракетоносителей и космических аппаратов, которая используется при его изготовлении и выполнена по профилю, нанесенному на оболочку топливного бака из алюминиевого сплава. Имеется внутренняя обшивка, наружная обшивка-оболочка (патент РФ №2238225, кл. B64D 37/00 от 25.03.2003 г.).
Известен способ изготовления днища топливного бака, который включает процессы установки составных частей, сварки, технологической деформации (патент РФ №2170193, кл. B64D 37/06 от 18.11.1999 г.).
Наиболее близким аналогом-прототипом является техническое решение формирования резервуара для топлива летательного аппарата, включающего в себя внутреннюю гладкую и наружную оболочку капсулы, образующего внутреннюю поверхность резервуара сложной геометрической формы (патент Японии №2000247299(A), кл. B64G 1/40, 09.12.2000 г.).
К недостаткам следует отнести то, что указанные технические решения не позволяют обеспечить изготовление бесшовного топливного бака с высокой чистотой его внутренней поверхности, не представляется возможным получить топливный бак не только сложной формы, но и бак, имеющий малую толщину стенок. Кроме того, при уменьшении толщины стенок возможно уменьшение прочности топливного бака, что недопустимо. Следует отметить, что имеющиеся неровности внутренней поверхности топливного бака недопустимы, мало того, необходимо его бесшовное изготовление, поскольку они могут привести к повреждениям эластичного вытесняющего устройства - диафрагмы. Особенностью является то, что его сложные формы не позволяют их обнаружить, а затем устранить. При этом невозможно обеспечить получение бесшовного бака, имеющего малую толщину стенок с одинаково высокой прочностью и равной толщиной по всему заполняемому топливом объему изделия. Сложная геометрическая форма бесшовного топливного бака получается при его изготовлении с высокой трудоемкостью. А наряду с высокой трудоемкостью изготовления имеет место недостаточно высокая прочность бака в случае наличия сварных швов. Кроме того, не может быть обеспечено равномерное распределение воздействия на топливный бак рабочего давления, а внутреннюю поверхность высокой чистоты корпуса бака невозможно получить после сварки, при этом для соединения сваркой необходимо выполнять элементы бака с толщиной, обеспечивающей возможность сварки. Выполнение же бака с толщиной, обеспечивающей процесс сварки, не может способствовать решению вопроса уменьшения массы топливного бака и не может повышать химическую и структурную однородность металла материала бака, а также не может способствовать повышению свойств пластичности. Также следует отметить отсутствие возможности повышения рабочего давления в топливной системе, что имеет место при эксплуатации топливных баков в ракетной и космической технике, и, кроме того, невозможно однозначно предусмотреть расчетным путем прочность топливного бака при воздействии на него давления в условиях невесомости.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание капсулы для изготовления бесшовных топливных баков для ракетных и космических аппаратов из гранул высокопрочных титановых сплавов, при этом капсула предназначена для изготовления корпуса топливного бака ракетной и космической техники из гранул высокопрочного титанового сплава со сниженными массовыми характеристиками, который многократно должен обеспечить прием горючего, хранение, слив и его вытеснение при запуске жидкостного ракетного двигателя, а также имеющего высокую надежность и прочность конструкции. Капсула должна обеспечивать, наряду с невысокой трудоемкостью процесса изготовления, получение емкости сложной геометрической формы, отсутствие технологических швов, гладкую внутреннюю поверхность, тонкие стенки высокой прочности и малый вес. Кроме того, задачей является снижение трудоемкости изготовления деталей сложной формы, что должно способствовать повышению прочности топливной системы, за счет увеличения надежности бесшовного топливного бака.
Техническим результатом при реализации предлагаемого технического решения является обеспечение возможности создания бесшовного топливного бака сниженной массы за счет уменьшения толщины его корпуса. Повышение прочности топливной системы осуществляется за счет выполнения толщины корпуса одинаковой по всему заполняемому горючим объему бака, изготовления его из прочного материала, причем форма выполнения бака предусматривает исключение острых углов. Высокую надежность средств выведения горючего обеспечивают за счет исключения сварных швов, что исключает возможность повреждений эластичной диафрагмы. Также за счет исключения сварных швов исключаются критические места возможного уменьшения прочности и места возможного излома при деформации, которые в условиях невесомости и перехода к перегрузкам могут приводить к смещению центра масс топливного бака с продольной оси космического аппарата, которое, в свою очередь, ведет к возможному изменению траектории движения самого изделия. За счет выполнения толщины корпуса одинаковой по всему заполняемому горючим объему увеличиваются показатели рабочего давления в условиях невесомости и в условиях перехода к перегрузкам. Изготовление бака из высокопрочного материала усиливает технический результат уменьшения толщины корпуса, увеличения показателей рабочего давления в условиях невесомости и в условиях перехода к перегрузкам, повышения надежности и уменьшения массовых характеристик, а изготовление капсулы, состоящей из внутренней и внешней оболочек из менее прочного и более пластичного материала, обеспечивает получение новых свойств бака сложной формы.
На достижение указанного технического результата оказывают влияние следующие существенные признаки. В капсуле для изготовления бесшовного топливного бака, включающей в себя внутреннюю гладкую и наружную оболочку капсулы, наружная оболочка состоит из размещенных соосно на центральной оси верхней части, выполненной в форме полусферы, цилиндрической части и днища, выполненного в форме полусферы, обращенной в противоположную сторону от полусферы верхней части, причем диаметр цилиндрической части и диаметр полусферы днища соответствует диаметру полусферы верхней части, одним торцом цилиндрическая часть сопряжена с полусферой верхней части, а другим торцом цилиндрическая часть сопряжена с полусферой днища, при этом верхняя часть полусферы снаружи имеет кольцевую расширенную горловину и на ней установлены основной и дополнительный штуцеры для подвода управляющего газа, а на центральной оси днища в вершине полусферы закреплен штуцер для топлива, при этом поверхность внутренней оболочки капсулы эквидистантна наружной оболочке капсулы и состоит из размещенных соосно на центральной оси закрепленного на штуцере для топлива днища, соединенной с днищем без швов цилиндрической части и верхней части, причем верхняя часть снаружи имеет кольцевую расширенную горловину, при этом верхняя часть расширенных горловин между наружной и внутренней оболочками капсулы соединена кольцом с установленными на нем засыпными горловинами, имеющими пробки. При этом наружная оболочка капсулы снабжена верхней кольцевой полкой, нижней кольцевой полкой и дополнительной цилиндрической частью, при этом в наружной оболочке капсулы выполнен кольцевой вырез для образования шпангоута, вокруг которого своими внутренними краями закреплены верхняя кольцевая полка и нижняя кольцевая полка, а дополнительная цилиндрическая часть закреплена на внешнем крае верхней полки и на внешнем крае нижней полки. В способе изготовления капсулы для бесшовного топливного бака сначала образовывают внутреннюю оболочку капсулы, для чего на центральной оси днища, выполненного в форме полусферы, в его вершине закрепляют штуцер для топлива, затем соосно и последовательно соединяют днище с цилиндрической частью, а ее с обращенной в противоположную сторону от полусферы днища полусферой верхней части, при этом в процессе соединения соблюдают соответствие диаметра цилиндрической части и диаметра полусферы днища, а также соответствие диаметра цилиндрической части диаметру полусферы верхней части, причем одним торцом цилиндрическую часть сопрягают без швов с полусферой верхней части, а другим торцом цилиндрическую часть сопрягают без швов с полусферой днища, затем к штуцеру для топлива соосно центральной оси закрепляют полусферу днища наружной оболочки, затем полусферу днища соединяют с цилиндрической частью наружной оболочки и ее затем соединяют с верхней частью наружной оболочки, на которой предварительно закрепляют основной и дополнительный штуцеры для подвода управляющего газа, при этом верхние части расширенных горловин наружной и внутренней оболочек капсулы соединяют между собой с образованием засыпных горловин с пробками. В наружной оболочке капсулы выполняют кольцевой вырез для образования шпангоута, с верхней стороны которого крепится верхняя кольцевая полка внутренними краями, а с нижней стороны внутренними краями крепится нижняя кольцевая полка, при этом дополнительную цилиндрическую часть закрепляют на внешних краях верхней и нижней полок. К штуцеру для топлива снаружи полусферы днища внутренней оболочки закрепляют полусферу днища наружной оболочки на расстоянии вдоль центральной оси, равном половине разницы внутреннего диаметра цилиндрической части наружной оболочки и внешнего диаметра цилиндрической части внутренней оболочки капсулы.
Новым является то, что наружная оболочка состоит из размещенных соосно на центральной оси верхней части, выполненной в форме полусферы, цилиндрической части и днища, выполненного в форме полусферы, обращенной в противоположную сторону от полусферы верхней части, причем диаметр цилиндрической части и диаметр полусферы днища соответствует диаметру полусферы верхней части, одним торцом цилиндрическая часть сопряжена с полусферой верхней части, а другим торцом цилиндрическая часть сопряжена с полусферой днища, при этом верхняя часть полусферы снаружи имеет кольцевую расширенную горловину и на ней установлены основной и дополнительный штуцеры для подвода управляющего газа, а на центральной оси днища в вершине полусферы закреплен штуцер для топлива, при этом поверхность внутренней оболочки капсулы эквидистантна наружной оболочке капсулы и состоит из размещенных соосно на центральной оси закрепленного на штуцере для топлива днища, соединенной с днищем без швов цилиндрической части и верхней части, причем верхняя часть снаружи имеет кольцевую расширенную горловину, при этом верхняя часть расширенных горловин между наружной и внутренней оболочками капсулы соединена с кольцом с засыпными горловинами, имеющими пробки. При этом наружная оболочка капсулы снабжена верхней кольцевой полкой, нижней кольцевой полкой и дополнительной цилиндрической частью, при этом в наружной оболочке капсулы выполнен кольцевой вырез для образования шпангоута, вокруг которого своими внутренними краями закреплены верхняя кольцевая полка и нижняя кольцевая полка, а дополнительная цилиндрическая часть закреплена на внешнем крае верхней полки и на внешнем крае нижней полки. В способе изготовления капсулы для бесшовного топливного бака сначала образовывают внутреннюю оболочку капсулы, для чего на центральной оси днища, выполненного в форме полусферы, в его вершине закрепляют штуцер для топлива, затем соосно и последовательно соединяют днище с цилиндрической частью, а ее с обращенной в противоположную сторону от полусферы днища полусферой верхней части, при этом в процессе соединения соблюдают соответствие диаметра цилиндрической части и диаметра полусферы днища, а также соответствие диаметра цилиндрической части диаметру полусферы верхней части, причем одним торцом цилиндрическую часть сопрягают без швов с полусферой верхней части, а другим торцом цилиндрическую часть сопрягают без швов с полусферой днища, затем к штуцеру для топлива соосно центральной оси закрепляют полусферу днища наружной оболочки, затем полусферу днища соединяют с цилиндрической частью наружной оболочки и ее затем соединяют с верхней частью наружной оболочки, на которой предварительно закрепляют основной и дополнительный штуцеры для подвода управляющего газа, при этом верхние части расширенных горловин наружной и внутренней оболочек капсулы соединяют между собой с образованием засыпных горловин с пробками. В наружной оболочке капсулы выполняют кольцевой вырез для образования шпангоута, с верхней стороны которого крепится верхняя кольцевая полка внутренними краями, а с нижней стороны внутренними краями крепится нижняя кольцевая полка, при этом дополнительную цилиндрическую часть закрепляют на внешних краях верхней и нижней полок. К штуцеру для топлива снаружи полусферы днища внутренней оболочки закрепляют полусферу днища наружной оболочки на расстоянии вдоль центральной оси, равном половине разницы внутреннего диаметра цилиндрической части наружной оболочки и внешнего диаметра цилиндрической части внутренней оболочки капсулы.
За счет описанной сборки топливного бака обеспечивается возможность изготовления топливного бака повышеной прочности путем выполнения толщины корпуса одинаковой по всему заполняемому горючим объему бака, равномерной, что в совокупности с изготовлением его из прочного материала, а также формы выполнения бака, предусматривающей исключение острых углов, позволяет создать топливный бак со сниженными массовыми характеристиками для ракетной и космической техники, который многократно сможет обеспечить при запуске жидкостного ракетного двигателя выведение горючего, его прием, хранение, слив и вытеснение горючего. Высокую надежность средств выведения горючего обеспечивают за счет исключения сварных швов, то есть выполнения без швов сопряжения торцов трубчатой части с полусферами, что исключает возможность повреждений эластичного выделительного устройства, а кроме этого создается эффект отсутствия критических мест возможного уменьшения прочности и мест возможного излома, которые могут приводить к смещению центра масс топливного бака с продольной оси космического аппарата, и в условиях невесомости и перехода это ведет к возможному изменению траектории движения самого аппарата. Кроме того, за счет выполнения толщины корпуса одинаковой по всему заполняемому горючим объему увеличиваются показатели рабочего давления в условиях невесомости и в условиях перехода. Дополнительно можно отметить, что изготовление бака из высокопрочного материала усиливает технический результат уменьшения толщины корпуса, увеличивает показатели рабочего давления в условиях невесомости и в условиях перехода, повышается надежность, а также уменьшаются массовые характеристики. Капсула обеспечивает получение емкости сложной геометрической формы, отсутствие технологических швов, гладкую внутреннюю поверхность, тонкие стенки высокой прочности и малый вес. Обеспечивается снижение трудоемкости изготовления капсулы сложной формы, что способствует повышению прочности и надежности бесшовного топливного бака, а также получения самого бака без швов.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом.
На чертеже представлена капсула для изготовления бесшовного топливного бака.
Капсула для изготовления бесшовного топливного бака состоит из верхней части 1, днища 2 и цилиндрической части 3 внутренней гладкой оболочки капсулы. Верхняя часть 4, днище 5, цилиндрическая часть 6 образуют внешнюю оболочку капсулы. Верхняя часть 1, днище 2 внутренней оболочки капсулы выполнены в форме полусферы. Верхняя часть 4, днище 5 наружной оболочки капсулы также выполнены в форме полусферы. Внутренняя оболочка капсулы имеет расширенную горловину 7. Наружная оболочка капсулы имеет расширенную горловину 8. В днище 2 внутренней оболочка капсулы и в днище 5 наружной оболочки капсулы установлен штуцер 9 для топлива из титанового сплава, идентичного сплаву изготавливаемого в капсуле бака. На верхней части 4 наружной оболочки капсулы установлены основной 10 и дополнительный 11 штуцеры для подвода управляющего газа из титанового сплава, идентичного сплаву изготавливаемого бака. В зависимости от необходимости соблюдения особенностей крепления в топливной системе изделия топливного бака образуют шпангоут при помощи выступа, образованного за счет прорези в наружной оболочке капсулы, вокруг которого своими внутренними краями закреплены верхняя кольцевая полка 13 и нижняя кольцевая полка 14, а дополнительная цилиндрическая часть 12 закреплена на внешнем крае верхней полки и на внешнем крае нижней полки.
В примере исполнения на торцевой поверхности на кольце 24 расширенной горловиной 7 внутренней оболочки капсулы и расширенной горловиной 8 наружной оболочки капсулы размещены засыпные горловины 15 и 16, которые снабжены пробками 17 и 18. Верхняя часть 1, днище 2, цилиндрическая часть 3 внутренней гладкой оболочки капсулы, верхняя часть 4, днище 5, цилиндрическая часть 6 внешней оболочки капсулы и штуцер 9 для топлива расположены на центральной оси 19. Линия 20 образована в результате сопряжения верхней части 1 внутренней полусферы капсулы с цилиндрической внутренней частью 3 капсулы, линия 21 образована при сопряжении верхней части 4 наружной полусферы капсулы с цилиндрической наружной частью 6 капсулы, линия 22 образована при сопряжении нижней части 2 внутренней полусферы капсулы с цилиндрической внутренней частью 3 капсулы, линия 23 образована сопряжением нижней части 5 наружной полусферы капсулы с цилиндрической наружной частью 6 капсулы. Плоскость полусферы верхней части образовывается линиями сопряжения 21 и 20. Плоскость полусферы нижней части образовывается линиями сопряжения 22 и 23. Таким образом, капсула для изготовления бесшовного топливного бака включает в себя внутреннюю гладкую, без швов, и наружную оболочку капсулы, при этом наружная оболочка состоит из размещенных соосно на центральной оси 19 верхней части 4, выполненной в форме полусферы, цилиндрической части 6 и днища 5, выполненного в форме полусферы, обращенной в противоположную сторону от полусферы верхней части 4. Диаметр цилиндрической части 6 и диаметр полусферы днища 5 соответствует диаметру полусферы верхней части 4. Одним торцом цилиндрическая часть 6 сопряжена с полусферой верхней части 4, а другим торцом цилиндрическая часть 6 сопряжена с полусферой днища 5. Верхняя часть 4 полусферы снаружи имеет кольцевую расширенную горловину 8. На ней же размещены основной 10 и дополнительный 11 штуцеры для подвода управляющего газа. Верхнюю кольцевую полку 13 для образования шпангоута, дополнительную цилиндрическую часть 12 для образования шпангоута и нижнюю кольцевую полку 14 для образования шпангоута могут располагать по краям прорези на верхней части 4 и на цилиндрической части 6, что зависит от размещении бака в изделии. На центральной оси 19 днища в вышине полусферы установлен штуцер 9 для топлива. При этом поверхность внутренней оболочки капсулы эквидистантна наружной оболочке капсулы. Она состоит из размещенных соосно на центральной оси 19 верхней части 1, которая без швов соединена с цилиндрической частью 3, которая без швов соединена с днищем 2. В днище 2 установлен штуцер 9 для топлива, соединяя своим креплением внутреннюю и внешнюю часть капсулы. Кольцевая расширенная горловина 7, размещенная в верхней части 1, кольцевая расширенная горловина 8 между наружной и внутренней оболочками капсулы соединены кольцом 24 с образованием засыпных горловин 15 и 16, имеющих пробки 17 и 18.
Способ изготовления капсулы для бесшовного топливного бака заключается в том, что сначала образовывают внутреннюю оболочку капсулы. Для этого на центральной оси 19 в вершине днище 2 закрепляют штуцер для топлива 9, затем соосно и последовательно соединяют днище 2, выполненное в форме полусферы, цилиндрическую часть 3 и верхнюю часть 1, выполненную в форме полусферы и обращенную в противоположную сторону от полусферы днища 2. В процессе соединения соблюдают соответствие диаметра цилиндрической части 3 и диаметра полусферы днища 2, а также соответствие диаметра цилиндрической части 3 диаметру полусферы верхней части 1. Одним торцом цилиндрическую часть 3 сопрягают без швов с полусферой верхней части 1, затем другим торцом цилиндрическую часть 3 сопрягают без швов с полусферой днища 2. На центральной оси 19 днища 2 в вышине полусферы закрепляют штуцер 9 для топлива. Затем к нему закрепляют соосно на центральной оси 19 полусферу днища 5 наружной оболочки капсулы. Затем соосно закрепляют цилиндрическую часть 6 и затем опять же соосно верхнюю часть 4, на которой предварительно закрепляют основной 10 и дополнительный 11 штуцеры для подвода управляющего газа. Также в зависимости от требований технологии размещения изделия в топливной системе в наружной оболочке капсулы выполняют кольцевой вырез для образования шпангоута, с верхней стороны которого крепится верхняя кольцевая полка 13 внутренними краями, а с нижней стороны внутренними краями крепится нижняя кольцевая полка 14, при этом дополнительную цилиндрическую часть 12 закрепляют на внешних краях верхней и нижней полок (в примере исполнения в верхней части). К штуцеру 9 для топлива снаружи полусферы днища 2 внутренней оболочки закрепляют полусферу днища 5 наружной оболочки на расстоянии вдоль центральной оси 19, равном половине разницы внутреннего диаметра цилиндрической части наружной оболочки 6 и внешнего диаметра цилиндрической части внутренней оболочки 3 капсулы. Необходимо обратить внимание на то, что верхние части расширенных горловин 7 и 8 наружной и внутренней оболочек капсулы соединяют кольцом 24 с образованием засыпных горловин 15 и 16 с пробками 17 и 18.
Таким образом, предложенное техническое решение позволит обеспечить создание капсулы для изготовления бесшовных топливных баков для ракетных и космических аппаратов, при этом капсулы, которая предназначена для изготовления корпуса топливного бака ракетной и космической техники из гранул высокопрочных титановых сплавов со сниженными массовыми характеристиками. Повышается надежность и прочность конструкции капсулы. Капсула обеспечивает, наряду с невысокой трудоемкостью процесса изготовления, получение тонкостенной емкости бесшовных топливных баков сложной геометрической формы. Имеет при этом тонкие стенки высокой прочности и малый вес. Низкая трудоемкость изготовления капсулы позволяет снизить затраты на изготовление. Кроме того, имеет место повышение прочности топливной системы и увеличение надежности топливного бака.