Баллон высокого давления для одновременного восприятия внутреннего давления и внешних нагрузок Российский патент 2024 года по МПК F17C1/04 B64G1/22 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к баллонам давления для транспортирования и хранения газообразного или жидкого топлива, находящегося под избыточным давлением, а также к элементам их закрепления в летательных аппаратах, одновременно являясь несущим конструктивным элементом, воспринимающим полётные и другие внешние нагружения.

Такой баллон с силовой несущей стенкой может быть использован в летательном аппарате в качестве корпусного силового элемента, являясь одновременно ёмкостью, содержащей рабочее тело и частью фюзеляжа самолёта или ракеты-носителя. В настоящий момент баллоны и ёмкости высокого давления не имеют силовой несущей стенки и должны размещаться внутри корпусов летательных аппаратов, что приводит к избыточному росту его веса.

В эксплуатации уже находятся средства, обеспечивающие возможность транспортирования рабочего тела при невысоком давлении и являющиеся одновременно корпусными элементами. Однако такие средства либо предназначены для относительно невысоких нагрузок и отсутствия требования по жёсткости, либо используют в своей конструкции металлические конструкционные материалы и обладают низким весовым совершенством и невысокой экономической эффективностью. Другим решением является размещение баллонов или баков давления внутри корпусов при помощи специальных систем креплений, что дополнительно уменьшает весовое совершенство летательных аппаратов и снижает надёжность их эксплуатации. Вместе с тем, в случае необходимости повышения скоростей полёта и роста лётных эксплуатационных перегрузок, а также при необходимости транспортирования рабочего тела большой массы и объёма, ни одно из известных решений не позволяет полностью исключить опасность разрушения системы крепления или возникновения нештатных колебаний конструкции, влекущие за собой взаимное столкновения баллона давления и корпуса летательного аппарата при достаточном уровне прочности, надёжности и обеспечении минимума массы конструкции баллона высокого давления.

Известен Торовый шпангоут, патент РФ 2657719 (МПК В63В 3/13, Е04С 2/24, 2017), работающий на внешнее воздействие, при избыточном внутреннем давлении для обеспечения подкрепления цилиндрических оболочке в кольцевом направлении. Данное решение не предназначено для хранения рабочего тела, а является лишь конструктивным силовым элементом.

Известен металлокомпозитный корпус для внешнего давления, патент РФ 2441798 (МПК В63В 3/13, 2012), содержащий дискретные ребра жесткости различной структуры из однонаправленных высокомодульных нитей. Такое решение представляет собой ёмкость давления, снабжённое системой крепления в виде кругового сплошного интерфейсного адаптера, так называемой «юбки», работающую только на внутреннее и внешнее давление, не обладает собственной изгибной, осевой или крутильной жёсткостями, не может передавать их к смежным отсекам и работать на внешние осевые и перерезывающие силы и моменты.

Недостаток вышеперечисленных конструкций состоит в том, что они не предназначены для одновременного использования в качестве баллона хранения рабочего тела под высоким давлением и элемента корпуса или фюзеляжа летательного аппарата для восприятия осевых и перерезывающих сил, изгибающих и крутящих моментов, не обладают осевой, изгибной и крутильной жёсткостями и неспособны передавать нагрузки между соседними отсеками летательных аппаратов.

В результате анализа патентной и научно-технической информации в качестве прототипа заявляемого устройства принято техническое решение по патенту РФ 2157322 (МПК В32В 1/02, F17C 1/06, F17C 1/16, 1999), (регистрационный номер заявки №99123514/02 от 11.04.1999, страна приоритета Россия) в котором описано устройство «Топливного бака летательного аппарата» с системой спиральных однонаправленных рёбер и представляющий собой ёмкость сравнительно невысокого давления – в баке расчётное давление ниже или значительно ниже 1.0 МПа – и относящийся к комбинированным металлостеклопластиковым конструкциям. Кроме этого, данный топливный бак имеет невысокую изгибную и крутильную жёсткости в силу отсутствия регулярного набора поперечных рёбер, замкнутых в кольцевом направлении, интегрально пересекающихся со спиральными, в сетчатой структуре.

Основным недостатком данного бака, как и у перечисленных выше по сравнению с предлагаемым изобретением, является невозможность одновременного использования в качестве самостоятельного корпусного элемента фюзеляжа летательного аппарата и ёмкости для хранения рабочего тела под высоким давлением.

Изобретение относится к баллону высокого давления, предназначенному для транспортирования и хранения рабочего тела в газообразном или жидком состоянии, а также для работы в качестве элемента силового корпуса летательного аппарата и восприятие всего спектра внешних силовых воздействий и передачи необходимой жёсткости между соседними отсеками или элементами.

Задачами (целями) предлагаемого устройства баллона высокого давления для одновременного восприятия внутреннего давления и внешних нагрузок являются:

– исключение необходимости использования систем крепления ёмкости давления, исключение возможности соударения баллона высокого давления с корпусными элементами при его эксплуатации;

– минимизация массы конструкции баллона высокого давления;

– обеспечение надёжности фиксации баллона высокого давления с заданной жёсткостью и прочностью во всех эксплуатационных случаях.

Отличительными особенностями баллона высокого давления по предложенному техническому решению являются следующие признаки:

– исполнение в виде интегральной неразъёмной конструкции, содержащей герметизирующий изотропный лейнер с силовой оболочкой и сетчатую оболочку из полимерных композиционных материалов;

– наличие выступающей за цилиндрическую часть баллона давления сетчатой оболочки, содержащей дополнительные замкнутые в кольцевом направлении поперечные рёбра с регулярным шагом, выполняющей роль переходного отсека для крепления к смежным конструкциям и имеющей стыковочные силовые шпангоуты из полимерного композиционного материала круговой формы;

– способность одновременного восприятия конструкцией всех видов нагружения: хранение рабочего тела в газообразном или жидком состоянии под давлением; восприятие осевой сжимающей или растягивающей силы, изгибающих и крутящих моментов, поперечных сил и внешнего давления окружающей среды; передача необходимой жёсткости между соседними отсеками или элементами.

Единая совокупность новых и общих известных существенных признаков позволяет решить поставленную задачу и достичь новый технический результат: конструкцию баллона высокого давления для одновременного восприятия внутреннего давления и внешних нагрузок минимальной массы, повышенной жёсткости, прочности и надёжности, что характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение является результатом аналитических исследований, расчётов и опытно-экспериментальных работ, творческого вклада в разработку и создание новых модификаций корпусных элементов летательных аппаратов и ёмкостей давления, получено без использования стандартов или каких-либо рекомендаций в данной области техники, является оригинальным, неочевидным для специалиста, в совокупности новых и общих известных существенных признаков соответствует критерию «изобретательский уровень».

Указанные отличительные признаки баллона высокого давления являются существенными, так как каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата.

Краткая сущность изобретения поясняется фиг.1.

Заявленный баллон высокого давления для одновременного восприятия внутреннего давления и внешних нагрузок, показанный на фиг.1, содержит герметизирующую изотропную оболочку-лейнер с фитингами для подсоединения к рабочим топливным системам 1, днища с нанесённым силовым слоем композитного материала из перекрещивающихся спиральных лент, охватывающий её поверхность, состоящий из однонаправленных углеродных, стеклянных или органических нитей, скреплённых между собой полимерным связующим 2, лёгкий вспененный заполнитель 3 для формирования рёбер сетчатой структуры и теплоизоляции баллона, сетчатый слой 4 со спиральными и поперечными взаимоперекрещивающимися рёбрами, выполненными из однонаправленного композитного материала, выполненный за одно целое с герметичной оболочкой и слоем композиционного материала на ней, и являющийся неотъемлемой частью несущей стенки баллона, торцевые силовые шпангоуты 5 и наружную ненесущую обшивку 6. К торцевым шпангоутам кругового сечения могут стыковаться смежные корпусные элементы или отсеки летательного аппарата, осуществляться соединение с ракетой-носителем.

Функционирование баллона высокого давления для одновременного восприятия внутреннего давления и внешних нагрузок заключается в одновременном подключении к работе изотропного лейнера, силовой оболочки на лейнере 1-2 и сетчатой структуры, состоящей из интегрально пересекающихся криволинейных спиральных и кольцевых стержней 4, выполненных из перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент из однонаправленного полимерного композиционного материала.

Расчёты, проведённые автором, проектирование и испытание макетного образца устройства показывают значительную эффективность предложенного технического решения для хранения рабочего тела и его использования в качестве силового несущего корпусного элемента в части:

– массовых характеристик – исключение массы переходных отсеков или систем закрепления и объединение силовых конструкций корпуса, баллона и системы крепления в единую конструкцию;

– технологичности – изготовление конструкции изобретения автоматизированными методами непрерывной мокрой намотки в виде интегральной конструкции с минимальным количеством механических соединений-интерфейсов;

– жёсткостные характеристики (минимальные запасы по первым модам) собственных частот изделия, а также запасы прочности для типовых нагрузок не уступают аналогичным характеристикам известных баллонов с системами креплений и корпусным силовым сетчатым элементам, представляющим собой правильный цилиндр и ёмкость давления, обладающую днищами и цилиндрической частью.

Заявленное устройство по сравнению с прототипом обладает существенными отличиями и позволяет существенно снизить массу самого устройства, обеспечить дополнительную жёсткость корпуса и исключить необходимость применения специальных приспособлений, переходных отсеков или элементов крепления баллона к смежным конструкциям ввиду наличия интегральной сетчатой конструкции с силовыми шпангоутами при обеспечении необходимых жёсткости и прочности изделия, повысить технологичность изготовления за счёт применения автоматизированных технологических процессов интегральной конструкции, повысить надёжность изделия за счёт исключения большого количества механических соединений для крепления баллона к секции фюзеляжа летательного аппарата.

Таким образом, предложенное техническое решение по конструктивному исполнению является новым и эффективным по сравнению с известным уровнем техники.

Предложенное изобретение может быть реализовано на стандартном оборудовании с использованием метода автоматизированной намотки по известным технологиям.

Объем предлагаемого изобретения следует понимать шире, чем то конкретное выполнение, приведённое в описании, формуле, чертежах. Следует иметь в виду, что форма выполнения изобретения представляет собой только возможные предпочтительные варианты его осуществления, могут быть различные комбинации в отношении формы, размеров и расположения отдельных элементов, если все это не выходит за пределы объёма технического решения, изложенного в пунктах формулы.

Кроме того, предложенное техническое решение не ограничивается его использованием в корпусных элементов летательных аппаратов, может быть использовано в других областях техники, где требуется применение сетчатой оболочки из композиционных материалов, повышенной жёсткости, прочности и надёжности с одновременной возможностью транспортирования и использования жидкого или газообразного рабочего тела, и других свойств, описанных в материалах заявки.

Новое техническое решение в предложенной совокупности новых и общих известных существенных признаков соответствует и критерию «промышленная применимость», т.е. уровню изобретения.

Изобретение относится к баллону высокого давления. Баллон высокого давления содержит внутреннюю герметичную изотропную оболочку-лейнер с цилиндрическим участком и днищами, силовой слой композитного материала из перекрещивающихся спиральных лент, охватывающий её поверхность, состоящий из однонаправленных углеродных, стеклянных или органических нитей, скреплённых между собой полимерным связующим. Кроме того, баллон содержит сформированный в лёгком вспененном заполнителе сетчатый слой из пересекающихся спиральных и кольцевых стержней, выполненных из полимерного композиционного материала на основе однонаправленных углеродных, стеклянных или органических нитей и полимерного связующего, снабжённый торцевыми стыковочными шпангоутами. При этом баллон имеет наружную ненесущую обшивку, а сетчатый слой выполнен за одно целое с герметичной оболочкой и слоем композиционного материала на ней. Техническим результатом является снижение общего веса конструкции баллона, повышение прочности, технологичности и надёжности конструкции. 1 ил.

Баллон высокого давления, содержащий внутреннюю герметичную изотропную оболочку-лейнер с цилиндрическим участком и днищами, силовой слой композитного материала из перекрещивающихся спиральных лент, охватывающий её поверхность, состоящий из однонаправленных углеродных, стеклянных или органических нитей, скреплённых между собой полимерным связующим, сформированный в лёгком вспененном заполнителе сетчатый слой из пересекающихся спиральных и кольцевых стержней, выполненных из полимерного композиционного материала на основе однонаправленных углеродных, стеклянных или органических нитей и полимерного связующего, и снабжённый торцевыми стыковочными шпангоутами, имеющий наружную ненесущую обшивку, отличающийся тем, что сетчатый слой выполнен за одно целое с герметичной оболочкой и слоем композиционного материала на ней.