ТОПЛИВНЫЙ БАК Российский патент 2000 года по МПК B64G1/40 

Данный топливный бак предназначен для использования в составе разгонных баков (РБ) и ступеней ракетоносителей (РН).

Аналогом данного топливного бака является простейший топливный бак с гладкой обечайкой [1, стр. 174, рис. 5.1 д]; [2, стр. 285, рис.4.9 а]. Этот бак легок и прост в изготовлении. Однако при значительных габаритах, необходимых для размещения в баке потребного запаса горючего или окислителя, и наличии значительных сжимающих осевых усилий, возникающих под действием сил тяжести и ускорения при старте РН, толщину стенок такого бака приходится значительно увеличивать, чтобы не допустить потерю его устойчивости. Для этого гладкие обечайки баков подкрепляются ребрами, гофрами и стрингерами, которые придают обечайке бака жесткость и позволяют баку не терять устойчивость даже при значительных нагружениях [1, стр. 174, рис. 5.1 а - обечайка стрингерно-лонжеронная; 5.1 б, в - обечайка стрингерная]; [2, стр. 285, рис 4.9 б - обечайка с ребрами; 4.9 в - обечайка, подкрепленная гофрами; 4.9 г - обечайка, подкрепленная стрингерами].

За прототип выбрана конструкция топливного бака с обечайкой "вафельного" типа [1, стр. 174, рис. 5.1 г], когда в толще материала выфрезеровывают ячеистую структуру. Ячейки, как правило, имеют квадратную форму. Такая форма наиболее технологична и обеспечивает при прочих равных условиях минимальную массу топливных баков. Однако "вафельные" обечайки очень сложны в изготовлении и требуют для своего производства дорогостоящего уникального оборудования.

Кроме того, при значительных нагрузках, ведущих к потере устойчивости баков (характерны для топливных баков ракетоносителей), необходимо делать "вафельные" обечайки с высокими ребрами жесткости. Это значит, что "вафельная" структура должна быть выфрезерована из металлических плит большой толщины. Это, в свою очередь, резко увеличивает стоимость топливных баков и всего РН.

Задачей изобретения является улучшение массовых характеристик топливных баков и снижение стоимости их производства.

Это достигается за счет применения топливного бака, содержащего гладкую обечайку, причем внутри или снаружи обечайки установлена несущая ферма, связанная с верхним и нижним силовыми элементами на обечайке.

На чертеже изображен предложенный топливный бак, где:
1 - гладкая обечайка;
2 - верхний силовой элемент;
3 - нижний силовой элемент;
4 - несущая ферма.

Предложенный топливный бак включает в себя гладкую обечайку 1 и расположенные на ней (один из вариантов конструкции) верхний и нижний силовые элементы 2 и 3 соответственно. К силовым элементам 2 и 3 крепится несущая ферма 4.

Гладкая обечайка 1 предназначена для хранения топлива в баке. Она воспринимает на себя только нагрузки, непосредственно связанные с хранением топлива: избыточное давление в баке, давление гидростатического столба, плескание топлива и т.д.

Осевые сжимающие усилия, не скомпенсированные избыточным давлением в баке, изгибающие моменты и другие нагрузки, которые могут привести к потере обечайкой 1 устойчивости, воспринимаются несущей фермой 4 через силовые элементы 2 и 3. Благодаря этому обечайка 1 оказывается практически ненагруженной, что позволяет делать ее тонкостенной и без подкрепляющих элементов (стрингеры, шпангоуты и др.).

Располагаемая внутри обечайки 1 несущая ферма 4 может выполняться из других более прочных конструкционных материалов, чем обечайка 1. Кроме того, конструкция фермы в каждом конкретном случае может выбираться такой, чтобы обеспечить несущую способность блоков при минимизации их массы.

Возможность использования для несущих ферм более прочных конструкционных материалов, которые невозможно использовать в прототипе из-за технологических ограничений (Выфрезеровывание "вафельной" структуры баков происходит из достаточно толстых плит материала. Например, для РН "Зенит" "вафли" выфрезеровываются из плит толщиной 30 мм. При этом значительные ограничения на выбор конструкционных материалов оказывает требование их пластичности. Поэтому для обечаек баков выбираются не самые прочные материалы. Помимо прочего, из-за технологических ограничений толстые плиты всегда имеют прочность, на 5-10% меньшую, чем тонкие листы из тех же материалов, и при этом для плит, в отличие от листов, очень сложно обеспечить упрочняющую термическую обработку и нагортовку). Это позволяет значительно снизить массу топливного бака. Так, например, для РН "Зенит" (вафельная структура образуется за счет ребер высотой 25 мм, толщиной 5 мм при размере ячейки 150х150 мм) использование бака предложенной конструкции (прямоугольная ферма с ячейкой 500х500 мм при диаметре полых стержней 80 мм и толщине этих стержней 2,1 мм - результаты получены из предположения одинаковости критических нагрузок потери общей и местной устойчивости несущей фермы) и при использовании для фермы того же конструкционного материала, что и материал "вафельной" обечайки при прочих равных условиях ведет к увеличению массы бака без учета внутренних баковых элементов на ~10% (масса каждого метра высоты бака составляет ~230 кг/м для существующего бака и ~252 кг/м - для бака предлагаемой конструкции). Однако, если используются фермы наддутые до ~100 ати, то прирост массы бака составит всего ~2,6% (236 кг/м). Если же обечайка бака, составляющая в данном случае основную долю массы бака (172 кг/м из 230 кг/м), будет выполнена из более прочных материалов, например, за счет термической обработки или нагортовки, то бак предложенной конструкции будет легче вафельного. Например, при использовании сплава АМг6, из которого выполнены баки РН "Зенит", за счет высокой степени нагортовки возможно увеличение прочности обечайки бака на ~10%, что при соответствующем снижении массы обечайки дает выигрыш по массе топливного бака ~5% с учетом сделанных выше допущений (до ~218 кг/м). Использование же высокопрочных сплавов типа В95, обладающих низкими технологическими свойствами и требующих сложной термической обработки, позволит снизить массу бака предложенной конструкции до ~180 кг/м (облегчение на 27% достигается за счет большей на 46% прочности по сравнению с АМг6).

Помимо снижения массы, предложенный топливный бак позволяет резко упростить и удешевить стоимость его производства, т.к. не требует для своего создания специального дорогостоящего оборудования и может быть произведен на любом машиностроительном заводе ввиду широкого распространения в технике ферменных конструкций.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Голубев И.С. Проектирование конструкций летательных аппаратов: Учебник для студентов втузов.- М. Машиностроение, 1991. -512 с.: ил. 229.

2. Козлов А.А. Системы питания и управления жидкостных ракетных двигательных установок. - М.: Машиностроение, 1988 г. - 352 с.: ил. - стр. 115-125.

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано в двигательных установках разгонных блоков и ступеней ракет-носителей. Бак содержит гладкую обечайку, внутри или снаружи которой установлена несущая ферма. Ферма связана с верхним и нижним силовыми элементами, расположенными на обечайке. Данная ферма воспринимает главным образом сжимающие усилия, не скомпенсированные давлением наддува бака. Ввиду этого обечайка является практически ненагруженной подобными усилиями. Изобретение позволяет снизить массу конструкции бака и стоимость его производства. 1 ил.

Топливный бак, содержащий гладкую обечайку, отличающийся тем, что внутри или снаружи обечайки установлена несущая ферма, связанная с верхним и нижним силовыми элементами, расположенными на обечайке.