ТОПЛИВНЫЙ БАК И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
FUEL TANK AND METHOD OF ITS MANUFACTURE

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а точнее к проектированию и изготовлению силовых обечаек топливных баков ракет-носителей, а также может быть использовано в других областях, где изготавливаются или используются подобные тонкостенные конструкции.
Топливные баки ракет-носителей являются важнейшей составной частью ракеты. Одним из основных требований к топливным бакам является их минимальная масса, которая достигается за счет использования облегченных материалов, а также применения специальных подкрепляющих конструкций при изготовлении силовых обечаек топливного бака. Основными часто используемыми вариантами подкрепления силовых обечаек топливных баков являются вафельные и стрингерно-шпангоутные конструкции.
Вафельная конструкция обечайки топливного бака считается оптимальной по массе конструкцией при работе на устойчивость. Массовая эффективность достигается благодаря получению однородной конструкции с гарантированным сплошным соединением цилиндрической части обечайки (обшивки) с ребрами. Однако некоторые конструктивные и технологические особенности вафельной конструкции приводят к ограничениям массовой эффективности. Особенно этот эффект заметен для высоконагруженных баков, требующих большой высоты подкрепления. Подкрепляющие ребра вафельной обечайки получают фрезерованием из цельной плиты. В результате получаются ребра с простейшей формой поперечного сечения – прямоугольной или формой тавра. Такие ребра наиболее эффективны при большой исходной толщине плиты, увеличение которой ограничено возможностью получения качественного толстостенного проката, мощностью вальцов и, в особенности, трудоемкостью фрезерования глубоких ячеек. В случае технологических ограничений на толщину исходной плиты для сохранения коэффициента устойчивости приходится увеличивать толщину ребер или толщину стенки в ячейке, что значительно снижает массовую эффективность вафельной обечайки. Вафельная обечайка имеет специальные стыковочные участки на торцах в виде гладкой оболочки для соединения (сварки) обечаек. Толщина этих участков зависит от эффективности вафельного фона при работе на устойчивость: чем эффективнее вафельный фон, тем большую толщину стенки необходимо использовать для гладкого участка. Увеличение толщины стыковочных участков приводит к потере массовой эффективности.
Еще одним вариантом силовой обечайки топливных баков является стрингерно-шпангоутная конструкция. Стрингеры и шпангоуты традиционно крепятся к цилиндрической оболочке с использованием заклепок. Конструкция стрингеров и шпангоутов характеризуется стандартными поперечными сечениями, которые имеют большую толщину стенки и тем самым при большом количестве стрингеров и шпангоутов значительно увеличивают массу всей конструкции бака. Это обстоятельство не позволяет конкурировать стрингерно-шпангоутной обечайке с вафельной по массовой эффективности при работе на устойчивость.
В настоящее время идут активные разработки в области ракетостроения и смежных областях, в частности, по улучшению массогабаритных характеристик топливных баков за счет совершенствования параметров силового набора, а также применения различных вариантов присоединения стрингеров и шпангоутов к обечайке.
В заявке на патент Германии DE102006051989 «Fiber-metal laminate stringer for use in aircraft or spacecraft, has synthetic fiber layers produced from zylon fibers, and provided between metallic layers, and straight side portions and middle region merge with one another» (опубл. 15.05.2008) описываются стрингеры, их профили и методы крепления к наружной обшивке воздушного или космического летательного аппарата (ЛА). Конструкция фюзеляжа ЛА имеет множество стрингеров, расположенных между первой и второй рамами, и на указанных рамах установлена наружная обшивка. Каждый из указанного множества стрингеров соединен с помощью клеевого соединения с первой и второй рамами и с наружной обшивкой по соответствующим поверхностям склеивания. Каждый из указанных стрингеров содержит множество металлических слоев и соответствующих слоев синтетического волокна, расположенных между каждыми двумя металлическими слоями. Слои синтетического волокна изготовлены по меньшей мере частично из волокон пара-фенилен-2,6-бензобисоксазола. Изобретение предлагает использование имеющих определенную форму металловолоконных многослойных стрингеров (например, Z-образных).
Основным недостатком данного технического решения является то, что метод крепления стрингеров к обечайке – клеевое соединение – не обеспечивает необходимой прочности соединения, однако профиль стрингеров и способ их изготовления обеспечивают уменьшение веса конструкции фюзеляжа ЛА.
Заявка на патент Франции FR2894859 «Structural element and method of manufacture» (опубл. 22.06.2007) описывает изобретение, которое может быть использовано при изготовлении конструктивного элемента, предназначенного для применения в строительстве воздушных судов, в типичном случае лонжерона крыла, содержащего перегородку и один или несколько прилегающих к перегородке элементов стрингеров. При осуществлении способа обеспечивают по меньшей мере первый и второй металлические блоки, причем предел упругости при сжатии первого металлического блока больше, чем аналогичный параметр второго металлического блока. Обрабатывают первый металлический блок с получением первой монолитной детали, которая содержит первую часть перегородки и по меньшей мере один элемент стрингера. Путем формовки второго металлического блока получают вторую деталь, которая содержит вторую часть перегородки. Осуществляют сборку деталей путем расположения частей перегородки торец к торцу по всей их общей длине так, чтобы часть стрингера прилегала ко второй части перегородки. Соединяют детали путем сварки, преимущественно трением с перемешиванием. Изобретение позволяет изготовлять бифункциональные или многофункциональные конструктивные элементы, содержащие несколько собранных вместе деталей, в которых стрингеры обладают большой механической прочностью.
Недостатком данного технического решения является трудоемкость при изготовлении заявленной конструкции.
Заявка на патент Европейского патентного ведомства EP3216691 «Airframe component and methods for manufacturing an airframe component» (опубл. 13.09.2017) описывает множество стрингеров, прикрепленных к панели обшивки, и по меньшей мере один шпангоут, идущий, по существу, перпендикулярно множеству стрингеров на панели обшивки, причем по меньшей мере один шпангоут крепится на панели обшивки методом аддитивного производства. Шпангоуты выполнены с отверстиями, через которые с ними соединяются стрингеры. Основным недостатком данного технического решения является трудоемкость изготовления конструкции.
Таким образом, на сегодняшний день неизвестны обечайки топливных баков как ракет-носителей, так и иных конструкций с подобными элементами, которые бы удовлетворяли заданным требованиям, предложенным в данном изобретении.
Задачей настоящего изобретения является создание такой конструкции топливного бака ракеты-носителя, которая обеспечивала бы улучшение его массовых характеристик, а также снижение материалоемкости и времени для его производства.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является снижение веса топливного бака, снижение трудоемкости технологии изготовления, снижение материалоемкости.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что топливный бак содержит корпус, выполненный в форме цилиндрической оболочки, имеющей ось симметрии, два днища, по меньшей мере два стрингера, расположенные по существу вдоль корпуса с его внутренней стороны и направленные вдоль указанной оси симметрии, и по меньшей мере один шпангоут, расположенный по существу по окружности корпуса с его внутренней стороны и по существу перпендикулярно стрингерам, причем стрингеры соединены с корпусом сваркой трением с перемешиванием (СТП), а шпангоут присоединен к поверхности стрингеров механически, материалами стрингера и шпангоута являются сплавы алюминия, и стрингеры и шпангоут выполнены в форме тонкостенных профилей.
Выбор материалов и формы стрингера и шпангоута, а также способа соединения стрингеров с корпусом, а именно СТП, обусловлен тем, что при этом в совокупности достигается улучшение массовых характеристик всей обечайки в целом, а также существенно сокращается время, требуемое для крепления стрингеров к обечайке топливного бака по сравнению со стандартными методами установки стрингеров на корпусе за счет сокращения количества технологических операций, как следствие – снижение трудоемкости. Важным является то, что при этом сохраняются прочностные свойства как обечайки, так и бака в целом.
Решение поставленной задачи и достижение заявленного технического результата также возможны в частных вариантах исполнения заявленного топливного бака.
Так, например, топливный бак может быть выполнен таким образом, что поперечное сечение профиля стрингеров, по существу, U-образное. Или же топливный бак может быть выполнен таким образом, что поперечное сечение профиля стрингеров, по существу, Z-образное. Специалисту в данной области техники будет понятно, что выбор поперечного сечения профиля стрингеров существенно влияет на массовые характеристики топливных баков, а именно, конструкция выбранных профилей стрингеров, которые могут быть как U-образными, Z-образными, так и любыми другими, использует эффект самоподкрепления за счет наличия большого количества ребер жесткости, которые получаются путем ограничения длины прямолинейных участков сечения стрингеров. Таким образом, специалисту в данной области техники будет совершенно очевидно, что конструкция выбранных профилей стрингеров подбирается по расчетам на местную устойчивость.
Помимо прочего, топливный бак может быть выполнен таким, в котором шпангоут соединен со стрингерами болтовым или заклепочным соединением. Данный вид соединения обусловлен быстротой осуществления и надежностью крепления, а также малыми затратами на материалы.
Еще одним объектом настоящего изобретения, решающим поставленную задачу и позволяющим достичь заявленный технический результат, является способ, согласно которому на основе вышеописанной конструкции предоставляют корпус по существу цилиндрической формы, два днища, а также по меньшей мере два стрингера и по меньшей мере один шпангоут, размещают стрингеры по существу вдоль корпуса с его внутренней стороны на расстоянии друг от друга и соединяют стрингеры с корпусом сваркой методом СТП, размещают шпангоут поверх стрингеров по существу по окружности корпуса и по существу перпендикулярно стрингерам, и осуществляют механическое присоединение шпангоута к стрингерам.
Далее изобретение, а также некоторые возможные варианты его осуществления более подробно поясняются со ссылками на фигуры, где:
на фиг.1 приведен общий вид топливного бака;
на фиг. 2 показан топливный бак в разрезе;
на фиг. 3 показан элемент топливного бака;
на фиг. 4-6 приведены варианты профилей стрингеров.
Сразу следует отметить, что представленные на фиг. 4-6 изображения вариантов профилей стрингеров приведены для общего понимания настоящего изобретения и могут в большей или меньшей степени отличаться в зависимости от результатов расчетов на местную устойчивость, однако далее будут рассмотрены преимущественно представленные варианты профилей стрингеров.
Заявленный топливный бак содержит корпус 1, который может быть выполнен из алюминиевых сплавов в форме гладкой цилиндрической оболочки, имеющей ось симметрии (на фигурах не показана), а также два днища 2. Выбранный материал корпуса обусловлен технологичностью и легкостью конструкции. Помимо этого, корпус выполнен герметичным, а присоединение днищ 2 к корпусу 1 происходит с помощью кольцевых сварных швов с использованием сварки методом СТП.
К корпусу 1 с помощью сварки методом СТП присоединяются стрингеры 3, которые выполнены из тонкостенных гнутых или прессованных профилей различной конфигурации, например, U-образной, Z-образной или замкнутой формы согласно соответственно фиг. 4-6, причем количество требуемых стрингеров 3 для подкрепления обечайки необходимо существенно меньше, чем в стандартных обечайках топливных баков, за счет применения специальных вышеупомянутых конструкций профилей. Данная конструкция профилей использует эффект самоподкрепления вследствие наличия большого количества ребер жесткости, которые получаются путем ограничения длины прямолинейных участков сечения стрингеров 3. Специалисту в данной области техники будет понятно, что эти участки подбирают по расчетам на местную устойчивость. За счет этого удается снизить толщину стенок стрингеров 3 и, соответственно, массу всей конструкции топливного бака. При этом стрингеры 3 будут обладать высоким уровнем жесткости, что в свою очередь приводит к уменьшению количества требуемых для их подкрепления шпангоутов 4.
Шпангоуты 4 прикрепляются к верхней части стрингеров 3 механически, предпочтительно с помощью болтового или заклепочного соединения. Особенность крепления шпангоутов 4 заключается в том, что они не соединяются с цилиндрической оболочкой корпуса 1 топливного бака. Это существенно уменьшает время изготовления топливного бака, а также уменьшает его весовые характеристики. Весовые характеристики также уменьшаются за счет использования меньшего количества шпангоутов 4, как было упомянуто ранее. Профиль шпангоута 4 выполнен аналогично стрингерам 3 из тонкостенного гнутого или прессованного материала, как правило алюминия или алюминиевого сплава.
Также улучшение массовых характеристик осуществляется за счет применения сварки методом СТП для продольных и кольцевых сварных швов, без необходимости дополнительного утолщения элементов конструкции бака. Например, при наличии корпуса 1 топливного бака диаметром 4 м достаточно подкрепление тремя шпангоутами на длине 2 м, в то время как для аналогов – вафельной обечайки или же стрингерно-шпангоутной обечайки – требуется гораздо большее число стрингеров и около 12 шпангоутов. Применение же сварных швов СТП взамен заклепочных соединений приводит к повышению прочности всего соединения.
Далее приводится пример способа изготовления топливного бака.
Способ изготовления цилиндрической секции топливного бака с силовым набором из стрингеров и шпангоутов заключается в том, что на предварительно изготовленную гладкую оболочку, на ее внутреннюю поверхность, крепятся стрингеры сварным швом методом СТП, по существу, вдоль оси симметрии цилиндрической оболочки. Затем шпангоуты крепятся механическим, например заклепочным или болтовым, соединением к верхней части стрингеров. После формирования одной или нескольких цилиндрических секций они соединяются в корпус топливного бака (см. фиг. 1, 2) кольцевой сваркой методом СТП, к которому по торцам присоединяются днища, предпочтительно сваркой методом СТП. В месте кольцевого сварного шва, соединяющего соседние цилиндрические секции, может устанавливаться специальная накладка, которая осуществляет связь между стрингерами отдельных цилиндрических секций в продольном направлении.
Таким образом, настоящее изобретение способствует снижению веса топливного бака, а также снижению трудоемкости и материалоемкости технологии изготовления топливного бака при сохранении его прочностных характеристик.