碟形金属隔膜贮箱及其制造方法与流程

1.本发明涉及空间推进剂贮箱技术领域，具体地，涉及一种碟形金属隔膜贮箱及其制造方法。


背景技术：

2.在航空航天领域中，作为推进系统中的主要压力容器，推进剂贮箱是影响航天器安全服役的核心组件之一。在众多推进剂贮箱类型中，金属隔膜贮箱因其具有轻质、长寿命、高可靠性、防晃动、推进剂剩余量可测等特点，被广泛使用在经常变轨、姿态调整频繁、机动性强的飞行器中实现推进剂贮存和管理功能。
3.目前的金属隔膜贮箱中金属隔膜均通过在赤道位置设置预弯边实现启动翻转，为确保金属隔膜在翻转过程中不发生失稳，其结构只能局限在球形或椭球形。但由于飞行器结构复杂，空间有限，布局紧凑，结构质量要求严苛。为了充分利用空间、合理布局结构和降低结构质量，贮箱结构必须充分考虑航天器的几何特征、结构布局和安装空间等要求。
4.经现有技术检索发现，中国发明专利公告号为cn112389682a，公开了一种隔膜贮箱，包括贮箱壳体以及气液隔膜,所述贮箱壳体的两端分别设置有充放气口、加排液口，所述气液隔膜的两端分别为开孔端、盲孔端，所述气液隔膜设置在贮箱壳体的内部且贮箱壳体和气液隔膜之间形成贮液容腔,所述开孔端、盲孔端分别连接充放气口、加排液口,气液隔膜内部形成贮气容腔且贮气容腔通过开孔端与充放气口连通，所述贮液容腔与加排液口连通。气液隔膜在贮气容腔内压的驱使下能够产生膨胀进而实现贮液容腔内液体的排出。该发明就存在上述提到的其结构只能局限在球形或椭球形，不能充分利用航天器内部安装空间，不能合理布局安装结构以及不能降低结构质量的问题。
5.因此对于空间局促的航天器而言，其贮箱安装空间通常为扁平狭长空间，此时碟形贮箱是最佳选择，而一般的赤道预弯边翻转式金属隔膜贮箱无法适用。此外，碟形贮箱在承受内压时趋球性明显，导致明显的轴向变形，进而对航天器舱段内的其它相邻组件造成干涉和挤压，目前在重量受限情况下尚无有效解决方法，因此需要提出一种新型碟形金属隔膜贮箱。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种碟形金属隔膜贮箱及其制造方法。
7.根据本发明提供的一种碟形金属隔膜贮箱，包括气端壳体、液端壳体、金属隔膜以及弥散装置；
8.所述气端壳体上顶端设置有气路接嘴，所述气端壳体内壁周向均布设置有扩散通道，所述气端壳体外壁周向均布设置有安装支耳；
9.所述液端壳体的下顶端设置有液路接嘴，所述液端壳体的内壁赤道处设置有膜片翻转引导凸台，所述液端壳体内壁液口处设置有导流装置；
10.所述金属隔膜与所述气端壳体组成密闭气腔，所述金属隔膜与所述液端壳体组成密闭液腔，所述气端壳体内壁气口通孔处连接所述弥散装置；
11.所述气端壳体和所述液端壳体外表面均设置有经纬线筋条，所述经纬线筋条设置成井字型分布。
12.一些实施方式中，所述贮箱赤道最大直径与所述贮箱高度的比值不小于2。
13.一些实施方式中，所述经纬线筋条宽度设置成所述贮箱壳体基础壁厚的2～5倍；
14.所述经纬线筋条高度设置成所述贮箱壳体基础壁厚的1～3倍；
15.所述经纬线筋条上相邻经线筋条的夹角设置成20～45
°
；
16.所述经纬线筋条上相邻纬线筋条的间距弧长设置成所述贮箱壳体弧长的0.1～0.2倍。
17.一些实施方式中，所述气路接嘴的主体结构内嵌设置在所述气腔内，所述液路接嘴的主体结构内嵌设置在所述液腔内。
18.一些实施方式中，所述扩散通道设置成90
°
分布的四条经线凹槽；
19.所述凹槽深度设置为所述气端壳体壁厚的0.1～0.3倍；
20.所述凹槽宽度从所述气端壳体上的极点到赤道逐渐减小，所述极点处凹槽宽度设置为所述赤道处凹槽宽度的3～5倍。
21.一些实施方式中，所述金属隔膜外表面与所述气端壳体内表面贴合设置。
22.一些实施方式中，所述弥散装置采用碗型或平板型结构，且所述弥散装置上设置有若干个通孔，所述通孔与所述扩散通道连通设置。
23.一些实施方式中，所述膜片翻转引导凸台由上凸圆环段和内圆弧段组成，所述内圆弧段与所述液端壳体内表面相切过渡设置。
24.一些实施方式中，所述导流装置设置成沿周向分布的流道。
25.一种碟形金属隔膜贮箱的制造方法，应用于所述的碟形金属隔膜贮箱，包括以下步骤：
26.步骤1：采用棒材或锻材机加工制成所述气端壳体与所述液端壳体，所述棒材或锻材采用钛合金或铝合金材料；
27.步骤2：采用板材冲压、旋压或超塑成形制成所述金属隔膜，所述板材采用纯钛或纯铝材料；
28.步骤3：采用板材机加工制成所述弥散装置，所述板材采用钛合金或铝合金材料；
29.步骤4：将所述气端壳体与所述弥散装置焊接组成上壳体组件；
30.步骤5：将所述金属隔膜与所述液端壳体焊接组成下壳体组件；
31.步骤6：将所述上壳体组件与所述下壳体组件焊接组成所述碟形金属隔膜贮箱。
32.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
33.1、本发明通过在金属液端壳体上设置膜片翻转引导凸台，解决了目前赤道预弯边碟形隔膜翻转初期不规则的问题，实现了金属隔膜式贮箱在碟形结构上的应用；
34.2、本发明通过在壳体外表面上设置呈“井”字呈分布的经、纬线筋条，实现了在较小重量增加量的前提下有效控制传统碟形贮箱承压时的明显轴向变形，防止贮箱工作时的变形对舱段内其它相邻组件的干涉和挤压；
35.3、本发明通过在气端壳体上设置弥散装置和扩散通道，解决了金属隔膜在贮箱工
作瞬间高压气体冲击可能造成的隔膜顶部失稳问题；
36.4、本发明通过将金属隔膜紧贴气端壳体，取代了传统金属隔膜贮箱中重量较重的支撑环对提高隔膜抗力学环境能力的作用，降低了贮箱重量，同时气腔容积几乎可以忽略，最大程度提高贮箱推进剂加注量。
附图说明
37.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
38.图1为本发明碟形金属隔膜贮箱的内部剖面结构示意图；
39.图2为本发明碟形金属隔膜贮箱的外部俯视结构示意图；
40.图3为本发明碟形金属隔膜贮箱的实际应用场景外部正视结构示意图；
41.图4为本发明碟形金属隔膜贮箱的实际应用场景外部俯视结构示意图；
42.图5为根据本发明金属隔膜贮箱的扩散通道结构示意图；
43.图6为根据本发明金属隔膜贮箱的膜片翻转引导凸台结构示意图；
44.图7为根据本发明金属隔膜贮箱的导流装置局部放大示意图；
45.图8为根据本发明金属隔膜贮箱的导流装置内部剖面结构示意图；
46.图9为根据本发明金属隔膜贮箱的一种弥散装置三视图；
47.图10为根据本发明金属隔膜贮箱的另一种弥散装置三视图。
48.附图标记：
49.气端壳体1
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导流装置23
50.气路接嘴11
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内表面24
51.扩散通道12
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金属隔膜3
52.安装支耳13
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弥散装置4
53.液端壳体2
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通孔41
54.液路接嘴21
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经纬线筋条5
55.膜片翻转引导凸台22
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密闭气腔6
56.上凸圆环段221
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密闭液腔7
57.内圆弧段222
具体实施方式
58.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
59.实施例1
60.碟形贮箱整体结构如图1-2所示，本发明提供的一种适合超扁平安装空间的碟形金属隔膜贮箱，包括气端壳体1、液端壳体2、金属隔膜3以及弥散装置4。气端壳体1和液端壳体2外表面均设置有呈网格状分布的经纬线筋条5。气端壳体1上顶端设置有气路接嘴11，内壁周向均布设置有扩散通道12，外壁周向均布设置有安装支耳13。液端壳体2的下顶端设置
有液路接嘴21，内壁赤道处设置有膜片翻转引导凸台22，内壁液口处设置有导流装置23。金属隔膜3与气端壳体1组成密闭气腔6，金属隔膜3与液端壳体2组成密闭液腔7，气端壳体1内壁气口通孔处连接弥散装置4。
61.如图3所示，贮箱的包络尺寸根据实际应用场景设计，但考虑到金属隔膜3的工作特性，为了确保贮箱可靠工作，贮箱赤道最大直径d与贮箱高度h的比值设置为2。
62.如图4所示，由于碟形结构在承受内压时趋球性明显，导致轴向变形过大，进而会对舱段内其它相邻组件造成干涉和挤压。因此，为了有效控制贮箱承内压时的轴向变形，气端壳体1和液端壳体2外表面均设置有呈井字型分布的经纬线筋条5。经纬线筋条5宽度w设置成贮箱壳体基础壁厚t的2倍，高度h设置成贮箱壳体基础壁厚t的3倍，相邻经线筋条的夹角α设置成45
°
。相邻纬线筋条的间距弧长l设置成贮箱壳体弧长l的0.167倍。
63.如图1所示，为了有效降低接嘴对贮箱轴向尺寸的占用，气路接嘴11的主体结构内嵌设置在密闭气腔6内，液路接嘴21的主体结构内嵌设置在密闭液腔7内。
64.如图5所示，为了让增压气体仅在膜片赤道位置快速建立压力，扩散通道12设置成90
°
分布的四条经线凹槽。凹槽深度h’设置为气端壳体1基础壁厚t的0.3倍。凹槽宽度从气端壳体1上的极点到赤道逐渐减小，极点处凹槽宽度w’设置为赤道处凹槽宽度w”的5倍。
65.如图6所示，为了有较解决传统赤道预弯边翻转式金属隔膜应用于碟形贮箱时出现的初期翻转不规则问题，通过设置膜片翻转引导凸台22，其由上凸圆弧段221和内圆弧段222组成，内圆弧段222与液端壳体2的内表面24相切过渡设置。
66.如图7-8所示，为了有效防止金属隔膜3翻转中期偏心导致液口提前被阻塞而导致剩余液体推进剂无法排除，导流装置23设置成沿周向分布的流道。
67.如图1所示，金属隔膜3外表面与气端壳体1内表面贴合设置。
68.如图9所示，为了防止贮箱工作瞬间进入的高压气体对金属隔膜3产生冲击而导致顶部失稳，弥散装置4采用平板型结构，其上设置有七个直径φ5mm通孔41，通孔41与扩散通道12连通。
69.上述碟形金属隔膜贮箱的制造方法包括以下步骤：
70.步骤1：采用钛合金棒材机加工制成气端壳体1与液端壳体2；
71.步骤2：采用纯钛板材冲压制成金属隔膜3；
72.步骤3：采用钛合金板材机加工制成弥散装置4；
73.步骤4：将气端壳体1与弥散装置4焊接组成上壳体组件；
74.步骤5：将金属隔膜3与液端壳体2焊接组成下壳体组件；
75.步骤6：将上壳体组件与下壳体组件焊接组成碟形金属隔膜贮箱。
76.实施例2
77.实施例二是在实施例一的基础上改进得到，具体区别为：
78.如图10所示，弥散装置4采用碗型结构。其上设置有四个直径φ3mm通孔41，通孔41与扩散通道12连通。
79.贮箱制造方法中区别：
80.步骤1：采用铝合金锻件机加工制成气端壳体1与液端壳体2；
81.步骤2：采用纯铝板材超塑成型制成金属隔膜3；
82.步骤3：采用铝合金板材机加工制成弥散装置4。
83.工作原理
84.贮箱工作时，通过气路接嘴11充气增压，气体通过弥散装置4和扩散通道12充满密闭气腔6，同时驱动金属隔膜3沿膜片翻转引导凸台22逐渐翻转，并压缩密闭液腔7，进而腔内液体经过导流装置22后从液路接嘴21排出贮箱。
85.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
86.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种碟形金属隔膜贮箱，其特征在于，包括气端壳体(1)、液端壳体(2)、金属隔膜(3)以及弥散装置(4)；所述气端壳体(1)上顶端设置有气路接嘴(11)，所述气端壳体(1)内壁周向均布设置有扩散通道(12)，所述气端壳体(1)外壁周向均布设置有安装支耳(13)；所述液端壳体(2)的下顶端设置有液路接嘴(21)，所述液端壳体(2)的内壁赤道处设置有膜片翻转引导凸台(22)，所述液端壳体(2)内壁液口处设置有导流装置(23)；所述金属隔膜(3)与所述气端壳体(1)组成密闭气腔(6)，所述金属隔膜(3)与所述液端壳体(2)组成密闭液腔(7)，所述气端壳体(1)内壁气口通孔(41)处连接所述弥散装置(4)；所述气端壳体(1)和所述液端壳体(2)外表面均设置有经纬线筋条(5)。2.根据权利要求1所述的碟形金属隔膜贮箱，其特征在于，所述贮箱赤道最大直径与所述贮箱高度的比值不小于2。3.根据权利要求1所述的碟形金属隔膜贮箱，其特征在于，所述经纬线筋条(5)宽度设置成所述贮箱壳体基础壁厚的2～5倍；所述经纬线筋条(5)高度设置成所述贮箱壳体基础壁厚的1～3倍；所述经纬线筋条(5)上相邻经线筋条的夹角设置成20～45
°
；所述经纬线筋条(5)上相邻纬线筋条的间距弧长设置成所述贮箱壳体弧长的0.1～0.2倍。4.根据权利要求1所述的碟形金属隔膜贮箱，其特征在于，所述气路接嘴(11)的主体结构内嵌设置在所述气腔(6)内，所述液路接嘴(21)的主体结构内嵌设置在所述液腔(7)内。5.根据权利要求1所述的碟形金属隔膜贮箱，其特征在于，所述扩散通道(12)设置成90
°
分布的四条经线凹槽；所述凹槽深度设置为所述气端壳体(1)壁厚的0.1～0.3倍；所述凹槽宽度从所述气端壳体(1)上的极点到赤道逐渐减小，所述极点处凹槽宽度设置为所述赤道处凹槽宽度的3～5倍。6.根据权利要求1所述的碟形金属隔膜贮箱，其特征在于，所述金属隔膜(3)外表面与所述气端壳体(1)内表面贴合设置。7.根据权利要求1所述的碟形金属隔膜贮箱，其特征在于，所述弥散装置(4)采用碗型或平板型结构，且所述弥散装置(4)上设置有若干个通孔(41)，所述通孔(41)与所述扩散通道(12)连通设置。8.根据权利要求1所述的碟形金属隔膜贮箱，其特征在于，所述膜片翻转引导凸台(22)由上凸圆环段(221)和内圆弧段(222)组成，所述内圆弧段(222)与所述液端壳体(2)上内表面(24)相切过渡设置。9.根据权利要求1所述的碟形金属隔膜贮箱，其特征在于，所述导流装置(23)设置成沿周向分布的流道。10.一种制造方法，其特征在于，应用于权利要求1-9任一所述的碟形金属隔膜贮箱，包括以下步骤：步骤1：采用棒材或锻材机加工制成所述气端壳体(1)与所述液端壳体(2)，所述棒材或锻材采用钛合金或铝合金材料；步骤2：采用板材冲压、旋压或超塑成形制成所述金属隔膜(3)，所述板材采用纯钛或纯
铝材料；步骤3：采用板材机加工制成所述弥散装置(4)，所述板材采用钛合金或铝合金材料；步骤4：将所述气端壳体(1)与所述弥散装置(4)焊接组成上壳体组件；步骤5：将所述金属隔膜(3)与所述液端壳体(2)焊接组成下壳体组件；步骤6：将所述上壳体组件与所述下壳体组件焊接组成所述碟形金属隔膜贮箱。

技术总结
本发明提供了技术领域空间推进剂贮箱技术领域一种碟形金属隔膜贮箱及其制造方法，贮箱包括气端壳体、液端壳体、金属隔膜以及弥散装置。气端壳体由气路接嘴、扩散通道、安装支耳构成；液端壳体由液路接嘴、隔膜翻转引导凸台和导流装置构成。金属隔膜分别与气端壳体和液端壳体组成密闭气腔和液腔，气端壳体内壁气口通孔处连接弥散装置。气端壳体和液端壳体外表面均设置有井字型分布的经纬线筋条。贮箱通过膜片翻转引导凸台解决了赤道预弯边碟形隔膜翻转初期不规则问题；通过经、纬线筋条有效控制贮箱承压时的明显轴向变形；通过弥散装置和扩散通道解决了工作瞬间的隔膜顶部失稳问题；通过金属隔膜紧贴气端壳体最大程度提高推进剂加注量。剂加注量。剂加注量。


技术研发人员：范凯 施华 乔艳伟 赵和明 葛宁 许海洋
受保护的技术使用者：上海空间推进研究所
技术研发日：2022.12.05
技术公布日：2023/6/26