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Steelhead Composites推出复合材料容器客可同时容纳加压剂和推进剂
发布日期:2019-04-24  来源:Steelhead Composites  浏览次数:205
 
  Steelhead Composites介绍了一种薄壁套筒内装有轻型活塞的复合材料容器,该容器可同时容纳加压剂和推进剂,用于一种轻型、低成本、安全和简单的火箭推进剂解决方案。



  背景
 
  发射/空间推进的通用设计涉及液体推进剂。在这种应用中,通常有一种气体加压剂储存在高压下的复合超包裹压力容器(COPV)中,以及一个用于推进剂的隔膜容器。这些隔膜容器已经上市几十年了,是一项经过验证的技术。
 
  储存在加压罐中的气体被释放到推进剂(或氧化剂)容器中,并迫使推进剂/氧化剂位于隔膜的一侧(作为屏障)并释放推进剂。
 
  用于氧化剂和推进剂的材料通常具有毒性、腐蚀性和致癌性,并具有不利的材料相互作用效应。在上面简要描述的膜片应用中,材料间的相互作用是至关重要的,而传统的弹性体材料不起作用。
 
  理想的囊状物材料将是化学惰性的、不受推进剂和压力剂影响的、足够坚固并且能够抵抗由反复的剧烈折痕造成的损坏,并且能够制造成控制折叠所需的形状和刚度。大多数普通推进剂都没有这种材料。JPL技术报告32-899
 
  因此,需要排放或排出推进剂的储罐非常复杂,价格极其昂贵,而且对航空航天界供应紧张。膜片储罐的弹性材料,满足与推进剂的兼容性,本身是专有的。没有隔膜的储罐需要一个推进剂管理装置(PMD),这通常是复杂和昂贵的,以减少晃动和提供推进剂给发动机。
 
  由于在空间发射、卫星发射等方面受到越来越多的关注,设计一种新的推进剂箱是可取的,具有更高的安全性、更简单和更低的成本。钢头复合材料提供这种解决方案的活塞容器,他们称为联合加压/推进剂容器(CPPV)。
 
  本发明利用了一种复合压力容器体和一种设置在容器体内部空间内的活塞室。活塞室起到活塞蓄能器的作用。然而,与传统活塞不同的是,活塞室不需要厚厚的钢制圆柱形构件来承受结构载荷。本发明液压蓄能器中流体施加的大部分压力是由容器体而不是活塞室本身承担的。
 
  动机
 
  隔膜储罐有许多优点。首先,它们易于操作。气体加压剂主要对弹性隔膜施加压力,并通过出口排出液体推进剂。其次,隔膜储罐由于其操作简单而具有内在的可靠性。第三,不像含有表面张力推进剂管理装置(PMD)的储罐需要通过分析进行广泛的功能验证,不需要对隔膜储罐进行功能分析。由于这些原因,隔膜储罐在许多狮子座、MEO和勘探任务中很受欢迎。
 
  然而,隔膜储罐也有缺点。首先,随着罐体直径或高度的增长,隔膜尺寸必须相应地增大,质量的增加可能会使隔膜罐的选择相对于PMD选项没有吸引力。第二,有规模限制。目前的设备生产的横膈膜直径可达1001mm(39.4英寸),高度可达613毫米(24.1英寸)。虽然使用更大的设备来制造更大的隔膜是可能的,但是较大的隔膜的质量惩罚通常不赞成这个选择。ATK隔膜储罐综述-2018年
 
  新的推进剂化学品需要与隔膜材料进行相互作用分析,而且可能不兼容。
 
  他们收到了低成本推进剂解决方案的请求。
 
  安全是最重要的,我们的活塞将是可使用的,不像隔膜,应该天生更安全。
 
  设计信封并不总是倾向于横膈膜的球形形状。
 
  一个联合的加压/推进剂储罐将减轻对泵、防晃动装置和管道的需求。

 
  Steelhead提出的解决方案——使用复合活塞设计来简化设计,将用于单推进剂系统或氧化剂的加压剂和推进剂作为简单的单一解决方案。
 
  在这个概念中,活塞套可以由任何材料制成,以消除对推进剂相互作用的担忧。套筒可以制成非常薄的壁和活塞轻量级相应,因为它只是一个屏障。
 
  工作气体(氦气、氮气)将在外室加压,与推进剂处于等静压状态。加压气体将从任何推进剂中分离出来,复合容器将在运行过程中保持提供结构完整性的所有压力,因此是一个非常耐人寻味的火箭推进剂罐。
 
  材料兼容性问题减少,安全性提高,并可通过消除防晃动装置简化容器,因为推进剂/氧化剂将始终处于无压力和无气体状态。
 
  装有往复式活塞的柱状活塞室被封闭在复合超包装压力容器(COPV)内。往复式活塞和活塞套筒可以由金属、复合材料、陶瓷、增强聚合物或其组合而成,但可以是轻量级的,可以考虑墙体。大开口处的COPV是一种保压结构。在COPV情况下,采用高强度极性凸台与内衬和复合材料结构相结合,使港口开孔更加方便;柱状活塞室通过开口插入压力容器。
 
  活塞室一侧含有可压缩气体,如氦或氮气,由往复式活塞与推进剂分离。径向密封将两个舱室中的加压剂和推进剂隔开。在压力容器内插入后,用径向密封将柱状活塞室密封到极板开口处。这样可以防止气体或流体从压力容器的出口漏出。柱状活塞室与充满加压气体的结构壳体之间的环形区域。
 
  包含可压缩气体的舱室与活塞室与结构壳体之间的环形区域之间存在通信通路。这可以通过允许在气室侧的活塞室中的孔或狭缝来实现。压缩气体中的压力由结构壳-一种带有复合加固的塑料/金属/无衬层-结构支撑。
 
  往复式活塞滑向气室,当更多的推进剂进入活塞室时压缩气体。活塞立即往复压缩气体,使气体和流体之间的压力达到平衡。能量储存在压缩气体中,当阀门为推进剂打开时,活塞填补间隙,以确保气体压力始终与推进剂压力保持平衡。
 
  由于柱塞室内壁与外壁之间的压差为零,因此活塞室的柱面壁处于中性平衡状态,因此活塞室可以由薄壁金属、陶瓷、聚合物或复合材料制成,以保证材料的相容性。
 

 
  通过这种新颖的设计,活塞室的内径可以变化,允许不同的压力与推进剂之比,包括与压力容器内径相比的一个很大(70-85%)活塞套筒的余量,从而使推进剂体积很大。
 
  与钢等整体和各向同性材料不同的是,具有大口的复合超包装压力容器可以设计成能够承受非常高的内部压力。这是通过结构形状和复合材料布局的优化设计来实现的,使复合材料能够充分和最优地承受内部压力。
 
  技术准备
 
  Steelhead公司的CPPV从流体动力到空间推进的应用将需要额外的投资和研究,特别是用于往复式活塞的密封剂。尽管如此,为了进行概念论证,该公司生产了一个原型活塞来测试设计。为了演示,他们使用了一个测试原型,并插入了一个带橡胶塞的塑料活塞套。
 
  该设计结构合理,投资最少,能够以安全、低成本、简单高效的轻量级解决方案破坏推进工业。因此,目前的技术准备水平相对较高,约为3/4。没有实质性的技术障碍,但在解决方案适用于火箭推进之前,有重要的测试要求。然而,潜在的收益在易用性、成本和安全性方面将是重要的。
 
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