БАК ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
HIGH-PRESSURE TANK

Изобретение относится к общему машиностроению и может быть использовано в качестве бака высокого давления для хранения газообразных или жидких рабочих тел, например ксенона, на космическом аппарате.
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.
Задачи заявляемого изобретения: повышение надежности конструкции бака высокого давления, упрощение его изготовления и применения.
Задачи решены за счет того, что герметичное соединение краев днищ между собой выполнено одним сварным швом по периметру посредством двух, верхнего и нижнего, наружных шпангоутов, между внутренними вертикально выступающими краями которых сопряженно расположены отогнутые по периметрам наружу края упомянутых днищ, герметичное соединение полости выходной магистрали высокого давления с полостью бака выполнено сваркой через отверстие, выполненное в упомянутом сварном шве, при этом сварной шов магистрали высокого давления проходит по замкнутому периметру сварного шва, соединяющего края днищ и по шпангоутам, а узлы крепления бака к космическому аппарату монолитно выполнены по наружным периметрам шпангоутов в виде равномерно расположенных выступающих участков с вертикальными отверстиями для болтов, при этом выступающие участки 17, 19 снабжены шайбами 21, поверхности каждой из которых выполнены сопряженными с поверхностями выступающих участков шпангоутов, обращенных друг к другу вокруг их отверстий, причем каждая шайба с наружной стороны указанных выступающих участков соединена с ними сваркой.
Предложенное изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг. 1 - бак высокого давления (общий вид сбоку и сверху).
На фиг. 2 - разрез А-А (сварочное соединение днищ посредством верхнего и нижнего шпангоутов, крепежный узел с отверстием для болта).
На фиг. 3 - разрез Б-Б (сварочное соединение магистрали высокого давления с баком).
Бак высокого давления для хранения газообразных или жидких рабочих тел, предназначенный для использования на космическом аппарате, содержит металлический лейнер 1 с верхним и нижним овальными днищами 2, 3, выполненные в виде полусфер, герметично соединенные 4 между собой по периметру их краев, внешнюю упрочняющую армирующую оболочку 5 из ленточного композиционного материала, пропитанного связующим, выходную магистраль высокого давления 6, полость которой герметично соединена с полостью 7 бака, узлы крепления бака 8 к космическому аппарату.
В предложенном баке высокого давления герметичное соединение краев днищ 2, 3 между собой выполнено одним сварным швом 4 по периметру посредством двух, верхнего и нижнего, наружных шпангоутов 9, 10, между внутренними вертикально выступающими краями 11, 12 которых сопряженно расположены отогнутые по периметрам наружу края 13, 14 упомянутых днищ, герметичное соединение полости выходной магистрали 6 высокого давления с полостью 7 бака выполнено сваркой через отверстие 15, выполненное в упомянутом сварном шве 4, при этом сварной шов 16 магистрали высокого давления проходит по замкнутому периметру сварного шва 4, соединяющего края днищ и по шпангоутам, а узлы крепления 8 бака к космическому аппарату монолитно выполнены по наружным периметрам шпангоутов 9, 10 в виде равномерно расположенных выступающих участков 17, 18 с вертикальными отверстиями 19, 20 для болтов, при этом выступающие участки снабжены шайбами 21, поверхности каждой из которых выполнены сопряженными с поверхностями выступающих участков 17, 18 шпангоутов 9, 10, обращенных друг к другу вокруг их отверстий 19, 20, причем каждая шайба 21 с наружной стороны указанных выступающих участков 17, 18 соединена с ними сваркой 22, 23.
Бак, перед установкой на КА, подвергается технологической операции автофреттажа - нагружению его внутренним давлением, устраняющим в лейнере 1 остаточные деформации. В результате чего после снятия давления в лейнере 1 создаются сжимающие, а в армирующей оболочке 5 из композиционного материала растягивающие напряжения в таком соотношении, что при разрушении металлопластикового бака металлический лейнер и армирующая оболочка, имеющие различные модули упругости, разрушаются одновременно. Таким образом, полностью реализуется повышенная прочность бака.
Установка бака на КА осуществляется посредством узлов крепления 8, выполненных с равномерным распределением их по внешним периметрам шпангоутов 9, 10, с вертикальными отверстиями 19, 20 для болтов соединения бака с КА, или с технологической установкой для проведения наземных испытаний. Шпангоуты 9, 10, соединенные сваркой 4 по их внутреннему периметру одновременно с днищами 2, 3, а также по их внешнему периметру в узлах крепления 8 посредством шайб 21, образуют объемную монолитно-жесткую конструкцию с равномерным распределением механических нагрузок по всей конструкции бака. Такая конструкция бака позволяет обеспечить простоту и надежность его изготовления, закрепления его на КА с обеспечением достаточно высокой надежности при воздействии повышенных механических нагрузок на КА в процессе его выведения на орбиту ракетой-носителем.
Для обеспечения требуемой прочности, надежности и снижения массы конструкции бака (за счет уменьшения толщины оболочки лейнера 1) намотка упрочняющей армирующей оболочки 5 выполнена послойно, с перекрытием краев ленты, намотки с различными направлениями (углами) намотки и необходимой толщины. Количество слоев определяется в зависимости от механических свойств металла лейнера 1, типа армирующих волокон, от размеров и толщины стенок лейнера, а также заполнения слоями вогнутых участков на поверхности бака, например, в местах соединения днищ 2, 3 со шпангоутами 9, 10. Для обеспечения плотного соединения упрочняющей армирующей оболочки 5 по всей металлической поверхности бака (за исключением выступающих участков узлов крепления 8 бака к КА) предложенная конструкция бака со шпангоутами 9, 10 позволяет обеспечить достаточную жесткость и надежность увеличением их размера по высоте при одновременном уменьшении их выступающего относительно днищ размера в горизонтальном направлении, что позволяет повысить прочность и надежность бака в целом.
В настоящее время устройство находится на стадии подготовки к выпуску конструкторской документации на его изготовление.