一种用于大载重细长型缠绕气瓶的柔性紧固安装底罩

摘要

本申请公开了一种用于大载重细长型缠绕气瓶的柔性紧固安装底罩。所述用于大载重细长型缠绕气瓶的柔性紧固安装底罩，包括：第一端用来实现随动变形的柔性结构以及第二端用来提升大载重下抗空间动力学环境能力的刚性结构，其中：柔性结构为倒锥环底罩结构，刚性结构为花盆式底托结构。既可具备承受大量级振动考核能力，又可实现膨胀、收缩大变形一致性同步随动。具有良好的随动变形能力，具有与复层非金属异种材料间良好的衔接能力，具有大载重下抗空间动力学环境能力，对于大型或超大型卫星平台具有超薄壁内衬的大载重、细长型复合材料气瓶很实用，迎合了未来发展趋势对大型航天器用轻型复合材料气瓶的实际安装需求。

权利要求

1.一种用于大载重细长型缠绕气瓶的柔性紧固安装底罩，其特征在于，包括第一端用来实现随动变形的柔性结构以及第二端用来提升大载重下抗空间动力学环境能力的刚性结构，其中：所述柔性结构为倒锥环底罩结构，所述刚性结构为花盆式底托结构；

所述倒锥环底罩结构侧壁纵向设置有若干通孔槽，若干所述通孔槽由所述倒锥环底罩结构大端面向内纵向延伸；

若干所述通孔槽为开口膨胀槽；

所述通孔槽包括长通孔槽和短通孔槽，所述长通孔槽与所述短通孔槽交叉布置；

所述倒锥环底罩结构的壁厚由其顶端大端面向底端延伸不断变厚；

所述倒锥环底罩结构的壁厚，由顶端大端面厚度0.5mm～1.2mm之间，渐变至，与筒体端接触收尾部位厚度2mm～3mm之间；

所述花盆式底托结构为锥形底托结构；

所述用于大载重细长型缠绕气瓶的柔性紧固安装底罩，通过所述倒锥环底罩结构与气瓶密封端筒段缠绕固化，以及，所述花盆式底托结构固支约束与气口端套轴径向约束，固定气瓶产品。

2.如权利要求1所述的用于大载重细长型缠绕气瓶的柔性紧固安装底罩，其特征在于，所述倒锥环底罩结构壁厚渐变部位的侧壁环向设置有若干环周凹槽。

3.如权利要求2所述的用于大载重细长型缠绕气瓶的柔性紧固安装底罩，其特征在于，所述环周凹槽的数量为3～5个，宽度在4mm～6mm之间，深度在0.3mm～0.6mm之间。

4.如权利要求3所述的用于大载重细长型缠绕气瓶的柔性紧固安装底罩，其特征在于，柔性紧固安装底罩通过二次缠绕的固化方式，将金属材料的底罩固定在非金属材料的气瓶产品的复合层上。

说明书

一种用于大载重细长型缠绕气瓶的柔性紧固安装底罩

技术领域

[0001] 本申请涉及复合材料气瓶技术领域，具体而言，涉及一种用于大载重细长型缠绕气瓶的柔性紧固安装底罩。

背景技术

[0002] 由于大型或超大型卫星平台主承力结构高度高、布局空间受限，电推进系统用氙气瓶载重量大，从而决定了气瓶只能采用细长型、上下两端固支约束，不允许在气瓶中间布
局安装接口。传统安装接口均采用金属法兰结构，直接与薄壁内衬接头部位通过焊接结构
连接，仅适用于小载重型、小长径比气瓶的需求，用于承载氦气、氮气等轻质气体，对于目前和未来大力发展全电推的氙气瓶容积大、载重量大的需求已不再适用。

[0003] 针对相关技术中传统安装接口不能适用于容积大、载重量、力学条件严苛、高压膨胀变形大的气瓶固定的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

[0004] 本申请的主要目的在于提供一种用于大载重细长型缠绕气瓶的柔性紧固安装底罩，以解决相关技术中传统安装接口不能适用于容积大、载重量大气瓶固定的问题。

[0005] 为了实现上述目的，本申请提供了一种用于大载重细长型缠绕气瓶的柔性紧固安装底罩。

[0006] 根据本申请的用于大载重细长型缠绕气瓶的柔性紧固安装底罩，包括：第一端用来实现随动变形的柔性结构以及第二端用来提升大载重下抗空间动力学环境能力的刚性
结构，其中：柔性结构为倒锥环底罩结构，刚性结构为花盆式底托结构。

[0007] 进一步的，倒锥环底罩结构侧壁纵向设置有若干通孔槽，若干通孔槽由倒锥环底罩结构大端面向内纵向延伸。

[0008] 进一步的，若干通孔槽为开口膨胀槽；通孔槽包括长通孔槽和短通孔槽，长通孔槽与短通孔槽交叉布置。

[0009] 进一步的，倒锥环底罩结构的壁厚由其顶端大端面向底端延伸不断变厚。

[0010] 进一步的，倒锥环底罩结构的壁厚，由顶端大端面厚度0.5mm～1.2mm之间，渐变至，与筒体端接触收尾部位厚度2mm～3mm之间。

[0011] 进一步的，倒锥环底罩结构壁厚渐变部位的侧壁环向设置有若干环周凹槽。

[0012] 进一步的，环周凹槽的数量为3～5个，宽度在4mm～6mm之间，深度在 0.3mm～0.6mm之间。

[0013] 进一步的，柔性紧固安装底罩通过二次缠绕的固化方式，将金属材料的底罩固定在非金属材料的气瓶产品的复合层上。

[0014] 进一步的，花盆式底托结构为刚性稳定性较好的锥形底托结构。

[0015] 进一步的，用于大载重细长型缠绕气瓶的柔性紧固安装底罩，通过倒锥环底罩结构与气瓶密封端筒段缠绕固化，以及，花盆式底托结构固支约束与气口端套轴径向约束，固
定气瓶产品。

[0016] 在本申请实施例中，提供一种用于大载重细长型缠绕气瓶的柔性紧固安装底罩：

[0017] (1)通过纵向开口膨胀槽结构、薄壁渐变倒锥环底罩结构、环向旋转环周凹槽结构和花盆式底托结构，解决了金属安装底罩和非金属复层两种异种材料间二次上裙高强度衔
接和高压膨胀、收缩大变形一致性、协调性同步随动两大技术难题，既可具备承受大量级振
动考核能力，又可实现膨胀、收缩大变形一致性同步随动。具有良好的随动变形能力，具有
与复层非金属异种材料间良好的衔接能力，具有大载重下抗空间动力学环境能力，对于大
型或超大型卫星平台具有超薄壁内衬的大载重、细长型复合材料气瓶很实用，迎合了未来
发展趋势对大型航天器用轻型复合材料气瓶的实际安装需求。

[0018] (2)针对细长型气瓶设计刚性稳定性较好的花盆式底托结构，根据气瓶载重量量身订做，提供满足设计要求的刚性支撑，有效提升了气瓶在大载重作用下的抗力学能力，成
功解决了无法适应大型卫星平台与大量级振动的需求问题。

[0019] (3)在安装底罩柔性部分均布纵向开口膨胀槽，采用薄壁渐变倒锥环底罩结构，并开设环向旋转环周凹槽，实现了金属安装底罩与气瓶复合层在不同材料、不同厚度、不同刚
性下的预紧衔接、等应力传递和同步随动变形，避免了大载重、细长型、两端固定气瓶在受
到大量级动力学考核中出现安装底罩与气瓶错位脱粘、膨胀拉裂、内衬起皱泄漏。

附图说明

[0020] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不
构成对本申请的不当限定。在附图中：

[0021] 图1是本申请安装底罩应用于大载重、细长型复合材料气瓶的结构示意图；

[0022] 图2是根据本申请实施例提供的一种用于大载重细长型缠绕气瓶的柔性紧固安装底罩的结构示意图；

[0023] 图3是根据本申请实施例提供的一种大载重细长型缠绕气瓶的柔性紧固安装底罩的剖面结构示意图；

[0024] 图4是根据本申请实施例提供的倒锥环底罩结构局部剖面放大示意图；

[0025] 图中：1‑开口膨胀槽，2‑倒锥环底罩结构，3‑环周凹槽，4‑花盆式底托结构；

具体实施方式

[0026] 为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是
本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人
员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范
围。

[0027] 需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用
的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的
过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清
楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

[0028] 在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

[0029] 并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领
域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

[0030] 另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。

[0031] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

[0032] 研究过程中的难点在于：其一、缠绕衔接部位异种材料粘接，且接触面积小，大载重作用存在受拉错位易脱粘难题，安装底罩通过环氧树脂和纤维环向缠绕固定在密封端端
部筒体少量局部复层上，既是金属材料和纤维非金属材料间异种材料的粘接问题，又是小
面积、大载重间的接触紧固，仅通过环氧胶的粘接和纤维拉紧力连接，完全依靠层间预紧应
力等效传递实现同步随行，有该现象的大载重气瓶往往容易在航天器大量级动力学考核中
发生金属层与非金属层间受拉相互错位，使气瓶本体脱离安装底罩。其二、衔接部位存在异
种材料间的变形一致性难题，气瓶要承受大载重，安装底罩必然需要具备一定厚度和刚度，
在气瓶高压工作过程中会出现安装底罩厚、气瓶本体薄的共体结构，会出现因金属伸长率
小、复层伸长率大使底罩变形小、本体变形大的不匹配现象造成膨胀、收缩时协调性随动变
形差问题，最终因变形不一致而导致交接部位薄壁内衬起皱泄漏，复层拉裂，严重者导致气
瓶提早爆破。而本申请的柔性紧固安装底罩结构设计技术是能够同时解决大变形起皱泄漏
和大载重错位脱粘两大难题的关键技术。

[0033] 针对纤维缠绕复合材料高压气瓶大载重、大量级振动和细长型两端固定安装的任务需求，存在金属安装底罩和非金属复层两种异种材料间二次上裙高强度衔接技术和高压
膨胀、收缩大变形一致性、协调性同步随动两大技术难题。本申请提供了一种有利于大载
重、细长型复合材料高压气瓶的柔性紧固安装底罩新型设计，既可具备承受大量级振动考
核能力，又可实现膨胀、收缩大变形一致性协调性同步随动。柔性紧固安装底罩设计结构是
在基于航天器用高压复合材料气瓶膨胀大变形的基础上实现往复同步膨胀或收缩，适用于
大载重细长型气瓶结构的设计模式及气瓶在高压膨胀状态下的协调变形。柔性紧固安装底
罩设计结构有效解决了复合材料气瓶承压大变形中不同刚性、不同材料的随动变形难题，
改善了薄厚不均的内衬与多层复层间变形一致性差的问题，也大大提升了两端固支的细长
型气瓶抗力学能力，从本质上提高了产品可靠性，降低了安装底罩脱粘的几率，从而提高了
复合类大载重高压气瓶的安全性。

[0034] 本申请实施例的一种用于大载重细长型缠绕气瓶的柔性紧固安装底罩，如图1‑4所示，包括：第一端用来实现随动变形的柔性结构以及第二端用来提升大载重下抗空间动
力学环境能力的刚性结构，其中：柔性结构为倒锥环底罩结构2，刚性结构为花盆式底托结
构4。应当指出的是，第一端的柔性结构部分不单单起随动变形的作用，还可以提升非金属
与金属间(即气瓶结构与底罩之间的衔接与应力传递)的衔接能力和应力传递。

[0035] 具体的，花盆式底托结构4为刚性稳定性较好的锥形底托结构，同时，在不影响支撑刚性的前提下进行掏孔减重。减重孔位于锥形底托结构的锥形侧壁上，可以使支撑更好。

[0036] 用于大载重细长型缠绕气瓶的柔性紧固安装底罩，通过倒锥环底罩结构2 与气瓶密封端筒段缠绕固化，以及，花盆式底托结构4固支约束与气口端套轴径向约束，固定气瓶
产品。改变传统气瓶小重量、短粗型法兰模式，将受力支撑点从传统与薄壁内衬(基础壁厚
0.8mm)焊接的法兰结构(无法承受大载重、大量级)转移到与复合层筒段缠绕固化的柔性紧
固安装底罩，大大降低了应力集中受损的几率，提升了大型气瓶的承载能力，适合于长径比
在约4∶1～7∶1 范围内，载重量在约100kg～900kg的细长型气瓶安装的承装容器。彻底解决了大载重型复合材料薄壁气瓶的缠绕固化无法适应大量级力学环境的问题，避免了依赖多
个小容量气瓶组装模式，既减轻了推进系统自身重量，又节省了卫星布局空间，为大型卫星
平台推进系统提供了更优越的承装容器。

[0037] 本申请的柔性紧固安装底罩，可承受大载重，可适用细长型、两端固定气瓶，作为气瓶与卫星平台间的安装接口。

[0038] 本申请对上述实施例的用于大载重细长型缠绕气瓶的柔性紧固安装底罩中的倒锥环底罩结构2进行了详细设计，如图2‑图4，倒锥环底罩结构2为与气瓶筒体缠绕接触衔接
的柔性部分，其外圆周采用从薄到厚的渐变倒锥环，倒锥环底罩结构2的壁厚由其顶端大端
面向底端延伸不断变厚。

[0039] 具体的，倒锥环底罩结构2的壁厚，由顶端大端面厚度0.5mm～1.2mm之间，渐变至，与筒体端接触收尾部位厚度2mm～3mm之间。其主要目的使安装底罩缠绕过程中受纤维拉紧
力收缩与气瓶复合层最大筒体圆贴合更紧密，越薄部位拉紧力越大，再结合开口膨胀槽1可
随动收缩特性一起达到提升安装底罩带动气瓶运行时的粘贴能力的目的，在力学考核过程
中更好地达到等应力传递。

[0040] 进一步的，倒锥环底罩结构2侧壁纵向均匀设置有若干通孔槽，若干通孔槽由倒锥环底罩结构2大端面向内纵向延伸。

[0041] 具体的，若干通孔槽为开口膨胀槽1，开口膨胀槽1的宽度在0.8mm～ 1.5mm之间，均布数量可根据筒体直径确定，直径较大的均布数量可多分布一些，一般不少于4个。通孔
槽包括长通孔槽和短通孔槽，长通孔槽与短通孔槽交叉布置。即采用长通孔槽和短通孔槽
相互结合使用，短通孔槽一般设置在倒锥环底罩结构2的柔性薄壁部分，长通孔槽一般设置
在柔性薄壁部分和刚性厚壳位置(圆周方向超出筒体粘接接触端面5mm～10mm位置，更有利
安装底罩刚性厚壳位置的膨胀变形)，长通孔槽均布数量可设置为4～16个，短通孔槽自定，
在通孔槽数量较多、直径较大的可采用8个长通孔槽，其余基本可采用 4个长通孔槽，均布
在坐标轴上即可。其主要目的是实现气瓶高压膨胀大变形时的同步随动，以达到气瓶承重
等效传递到柔性紧固安装底罩，提升气瓶整体承载能力。

[0042] 进一步的，倒锥环底罩结构2壁厚渐变部位的侧壁环向设置有若干环周凹槽3。环周凹槽3所在位置的底罩侧壁壁厚渐变，由外侧看是锥形渐变，而内侧是直的，可见附图3更
为直观。

[0043] 柔性紧固安装底罩通过二次缠绕的固化方式，将金属材料的底罩固定在非金属材料气瓶产品/气瓶结构的复合层上，从而很好地解决了金属与非金属不同材料的等应力传
递和衔接，同时通过二次缠绕提升了大载重抗动力学能力。

[0044] 具体的，环周凹槽3的数量一般根据倒锥环底罩结构2柔性部分的长度设置3～5个；环周凹槽3的宽度在4mm～6mm之间，深度在0.3mm～0.6mm 之间，其主要目的使纤维在缠
绕过程中能够嵌入到环周凹槽3中，避免缠绕接触面仅靠环氧树脂粘贴，因厚度渐变纤维易
打滑的缺陷，从而提升安装底罩带动大载重气瓶的拉紧力，进而提升抗动力学能力。

[0045] 在本申请实施例中，提供一种用于大载重细长型缠绕气瓶的柔性紧固安装底罩，通过纵向开口膨胀槽1结构、薄壁渐变倒锥环底罩结构2、环向旋转环周凹槽3结构和花盆式
底托结构4，解决了金属安装底罩和非金属复层两种异种材料间二次上裙高强度衔接和高
压膨胀、收缩大变形一致性、协调性同步随动两大技术难题，既可具备承受大量级振动考核
能力，又可实现膨胀、收缩大变形一致性同步随动。具有良好的随动变形能力，具有与复层
非金属异种材料间良好的衔接能力，具有大载重下抗空间动力学环境能力，对于大型或超
大型卫星平台具有超薄壁内衬的大载重、细长型复合材料气瓶很实用，迎合了未来发展趋
势对大型航天器用轻型复合材料气瓶的实际安装需求。

[0046] 本申请提供的用于大载重细长型缠绕气瓶的柔性紧固安装底罩，对气瓶实现底部全约束，是气瓶与卫星最关键的接口界面，是专门针对载重大、细长型(大长径比约为5.5，
总长1643mm，直径φ300mm)、两端固支的气瓶而设计的一种特殊安装接口，有效避免了因安
装位置直接和超薄壁内衬(壁厚0.8mm)接触导致内衬承受大载重而受损，具有自重轻、粘接
能力强、变形一致性好等优势，可承受大载重、大量级的力学环境考核，该结构的气瓶已成
功通过了地面试验验证和空间飞行验证。

[0047] 与传统结构设计技术相比，本申请更适用于大型或超大型卫星平台，更符合未来发展趋势对大型航天器用气瓶的实际安装需求，发挥气瓶与安装底罩间随动变形、大载重
下可承受大量级力学考核的优势，既解决了异种材料的变形一致性、协调性差的问题，又避
免了大量级振动时底罩脱粘风险。

[0048] 本申请的用于大载重细长型缠绕气瓶的柔性紧固安装底罩的一个具体实施例如下：

[0049] 碳纤维缠绕细长型、大载重复合材料高压薄壁氙气瓶，其薄壁内衬基础壁厚为0.8mm，载重量181.5kg，长度1643mm，直径φ300mm，长径比为5.5；

[0050] 针对上述碳纤维缠绕复合材料气瓶的柔性紧固安装底罩，沿其轴向分为薄壁厚渐变的柔性结构(长60mm)和厚度较厚的刚性结构(长140mm)，柔性结构薄壁壁厚由1.2mm渐变
至2mm(倾斜度1°左右)，在安装底罩圆周上均布 48个宽度为1mm的开口膨胀槽，其中12个长
通孔槽，在倒锥环底罩结构壁厚渐变部位外圆周上开设了3个宽4mm、深0.4mm的环向旋转环
周凹槽，如图3、图4所示。

[0051] 以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。