Топливные баки

Заключение
В ходе выполнения курсового проекта были рассмотрены основные виды топливных баков ракет-носителей. Были рассмотрены и изучены основные конструктивные параметры баков, их расчет.
Конструктивно все баки представляют собой оболочку со шпангоутами. Основным материалом для изготовления баков является дюралюминиевый сплав АМг6, который хорошо свариваемый в защитной среде аргона и имеет высокую прочность.
После выполнения сварочный операций топливные баки должны подвергаться обязательному контролю его герметичности.
По видам контроля сварочных швов и герметичности бака существует несколько методов:
• Метод вакуумирован
• Метод накопления при атмосферном давлении
• Метод щупа
• Метод проникающей жидкости
• Метод аквариума
• Метод обмыливания
Более подробнее данные методы были опи ...

Содержание
Введение 2
1. Конструирование топливных баков ракет-носителей 3
2. Испытания топливных отсеков на герметичность 27
Заключение 30
Список использованной литературы 31

Введение
4 октября 1957 г. советская ракета вывела на орбиту первый в мире искусственный спутник Земли. Летательный аппарат, предназначенный для выведения в космос различных грузов (искусственных спутников Земли - ИСЗ, орбитальных станций и др.), получил название ракета-носитель (РН). На базе РН "Спутник" были созданы трех­ступенчатые РН "Восток" и "Союз", с помощью которых уже более чет­верти века осуществляется запуск практически всех пилотируемых космических кораблей "Восток", "Восход", "Союз", а также ряда искусственных спутников Земли.
С 1965 г. успешно эксплуатируется РН "Протон", обеспечивающая выведение на околоземную орбиту полезных грузов массой до 20 т.
Одним из крупнейших достижений ракетно-космической техники явилось создание универсальной ракетно-космической системы "Энер­гия ", способной поднять на орбиту около 100 т полезного груза.
Рост грузоподъемности РН достигается благодаря повышению эффективности двигательных установок, их мощности и совершенствованию конструкции РН в целом.
Конструкция РК в настоящее время сильно изменилась. В данной курсовой работе целью является рассмотрение и изучение основных конструкций топливных баков. их расчет и контроль качества сварных соединений, герметичности.

Такая сборка применима при изготовлении баков с большими габаритами.Для днищ, изготавливаемых из АМг6, желательно применять химическое фрезерование и снимать лишний материал по всей поверхности, за исключением зон сварки. Такая операция делает оболочку равнопрочной с материалом в зоне сварки, где из-за сварки происходит некоторая потеря прочности.670560147955 Рисунок 6 - Раскрой днищ (1 - днище; 2 - часть днищ; 3 - полюсная часть; 4 - лепесток)4) Совмещенные днища баков без теплоизоляцииСовмещенные днища баков, несмотря на некоторую сложность конструкции и на затруднения при сборке и эксплуатации, позволяют создавать более плотную компоновку, а. следовательно, меньшие габариты. На рисунке 1.7 даны несколько вариантов конструкции совмещенных днищ:• (Ij) - совмещенное днище состоит из двух частей. Часть 3 приваривается к обечайке роликовой сваркой вслед за приваркой части 4. В районе полюса эти две части касаются друг друга, обеспечивая тем самым совместную работу при перепаде давления в баках 1 и 2.• (I2) - двойное днище заменено одинарным 4 с силовым шпангоутом 5.• (I3) - верхний бак 1 делается обычной конструкции, а нижний 2 -без верхнего днища. Нижний бак прикрепляется к верхнему через шпангоут 11. Герметичность обеспечивается постановкой прокладки 10;• (I4) - верхний и нижний баки изготавливаются отдельно. Каждый из них имеет свою часть совмещенного днища 4 и 8. Затем они соединяются между собой путем сварки шпангоутов 5 и 7;• (I5) - верхний и нижний баки изготавливаются отдельно, как у конструкции (I4), но соединяются шпангоуты между собой "в шип" с фиксацией пружинным кольцом 9, входящим в углубления шпангоутов 5 и 7.В вариантах (I4) и (I5) между частями совмещенного днища устанавливаются упоры - бобышки с тем, чтобы обе части днища работали совместно.При конструировании совмещенных днищ необходимо иметь в виду, что в эксплуатации перепад давления не должен вызывать напряжений сжатия в оболочке днищ. С точки зрения прочности толщину каждой части двойного днища можно принять равной половине однослойного днища.Полость между двумя днищами дренируется, и если нарушена герметизация какого - либо шва, то из дренажного отверстия появятся пары просочившейся жидкости.Рисунок 7 - Совмещенные днища баков без теплоизоляции (1 - верхний бак; 2 - нижний бак; 3 - верхняя часть днища; 4 - нижняя часть днища; 5 - шпангоут; 6 - крепеж; 7 - шпангоут; 8 - днище; 9 - пружинное кольцо; 10 - герметизирующая прокладка; 11 - шпангоут)5) Совмещенные днища с теплоизоляциейЕсли днища разделяют компоненты топлива с сильно отличающимися температурами (жидкий кислород и керосин, жидкий водород и жидкий кислород), то совмещенные днища должны не только разделять компоненты, но и, по возможности, теплоизолировать один бак от другого.На рисунке 18.8. представлены варианты совмещенных днищ:• (Ij) - днище сварной конструкции. Между верхней и нижней частями днгаца находится жесткий теплоизолятор (пенопласт, стеклосоты и т.п.), который крепится лишь к одной части днища. В этой конструкции тепло " перетекает" через шпангоут 2, не защищенный теплоизоляцией;• (I2) - верхний и нижний баки изготавливаются отдельно. К одному из днищ приклеивается теплоизоляция. Соединяются оба бака через теплоизолирующее кольцо 7 с помощью шпилек, имеющих малую теплопроводность, например, изготовленных из высоколегированных нержавеющих сталей. Усилие сжатия передается от шпангоута 10 к шпангоуту 2 через теплоизолирующее кольцо 7, имеющее достаточно высокую прочность;• (I3) - так же, как и в конструкции (I2), баки изготавливаются отдельно, но шпангоуты 10 и 2 соединяются между собой с помощью теплоизолирующей накладки 11, закрепленной на баках винтами 12. Эти винты не воспринимают нагрузок. Усилия сжатия передаются через торцы цилиндрических накладок 11.Рисунок 8 - Совмещенные днища с теплоизоляцией (1 - обечайка; 2 - шпангоут; 3 - верхнее днище; 4 - нижнее днище; 5 - теплоизоляция; 6 - обечайка; 7 - теплоизолирующее кольцо; 8 -шпилька;9 - гайка; 10 - шпангоут; 11 - накладка; 12 - винт)6) Кропление ненесущего бакаНа рисунке 9 показан пример крепления цилиндрического ненесущего бака, который подвешен на "серьгах" 2. Бак аналогично может быть не подвешен, а поставлен.Другой конец бака имеет возможность перемещаться в продольном направлении (при заправке, при подаче давления наддува и т.п.), но для предотвращения перемещения в поперечном направлении устанавливают ограничители 10 с прокладками 11 из войлока или резины. Ограничители должны быть установлены так, чтобы они упирались в шпангоут бака 12.Баки ракет "дышат", т.е. изменяют свои размеры при появлении внутри избыточного давления.На рисунке 10 показана схема нагружения серег 2, которые воспринимают усилия как от продольной, так и от поперечной перегрузок и в то же время не препятствуют изменению диаметра бака.649605129540Рисунок 9 – Крепление несущего бака (1 – несущий бак; 2 – серьга; 3 – крепеж; 4 – профиль; 5 – кронштейн; 6,7 – крепежи; 8 – крепеж опоры; 9 – обшивка корпуса; 10 – опора; 11 – прокладка; 12 шпангоут)От поперечной перегрузки на одну из серег действует сила, которая появляется на опорах бака, в предположении, что бак лежит на двух опорах:где m - масса бака (с топливом и без топлива);f - коэффициент безопасности; - эксплуатационная перегрузка при транспортировании или в полете;- ускорение силы тяжести; - расстояние между опорами крепления бака. От продольной перегрузки на серьгу действует сила:где - эксплуатационная продольная перегрузка; - число серег. Усилия и вызывают реакции в опорах: где L и Н - размеры серьги. Эти силы не должны вызывать поломку серьги, кронштейнов и «ушей». Не должны также появляться напряжения смятия и среза болтов, кронштейнов и серьги, превышающие допустимые значения.Рисунок 10 – Схема нагружения серег (1 - цилиндрический бак; 2 – серьга; 3 – кронштейн на баке; 4 – кронштейн на корпусе; 5 - "уши" серьги; 6 – центр массы бака)7) Крепление торового бака Торовый бак при подаче внутрь него избыточного давления изменяет размеры ("дышит"), поэтому крепление (см. рис. 11.) должно обеспечить такое "дыхание", но не должно позволять перемешаться центру массы бака в поперечном направлении.Рисунок 11 – Крепление торового бака (1 – корпус ракеты; 2 – торовый бак; 3,4 – полуторы; 5,6 – кронштейны; 7 – крепеж; 8 – штырь; 9 – профиль; 10 – крепеж; 11,12 – кронштейны; 13 – серьга; 14 – крепеж; 15 – кронштейны)Один из вариантов такого крепления - это вариант с применением серег 13. Есть другие варианты крепления: • крепление с помощью штырей 8. Таких штырей должно бить не менее трех, желательно иметь четыре штыря. Наиболее ответственной деталью такого крепления является сам штырь, который работает как защемленная балка, и за счет наличия зазора, необходимого для "дыхания", в нем появляются большие изгибные напряжения; • крепление со скольжением. Такое крепление требует овальных отверстий в кронштейнах 12 и (или) 11. Все усилия, действующие на бак, из-за перегрузок воспринимаются кронштейнами на баке и на корпусе ракеты. По этим усилиям подбирают сечения кронштейнов и нормали крепежа. 8) Стыковые шпангоуты баковБаки соединяются с другими отсеками и с соседними баками с помощью юбок или с помощью шпангоутов, которые одновременно служат усилением соединения обечайки и днища. Конструктивные варианты соединения между собой обечаек, днищ и шпангоутов показаны на рисунке 12. • (I1) - наиболее простой в сварке, но требуется изготовление шпангоута – кольца; • (I2) - шпангоут облегченной конструкции с внутренним кольцевым каналом. Конструкция малой массы, но требует изготовления "макаронины" - профиля с внутренним каналом с последующей гибкой и сваркой профиля в кольцо; • (I3) - кольцо-шпангоут 3 приварен к днищу; • (I4) - усиление соединения днища и обечайки набрано из деталей, отштампованных из листового материала. Такая конструкция не требует применения карусельных станков, но требует слишком много технологических операций, особенно, если детали 4 и 5 необходимо изготавливать из частей с последующей сваркой в единое кольцо; • (I5), (I6) - шпангоуты являются переходником и служат для усиления стыка обечайки, днища и юбки. Особенностью конструкции вариантов (I1), (I5), (I6) является то, что шпангоуты 3 необходимо точить из сплошного кольца, а не изготавливать из профиля с последующей сваркой, т.к, при сварке с последующей механической обработкой может появиться негерметичность из-за пористости в шве при сварке шпангоута или его заготовки. При этом негерметичность может быть обнаружена только при проверке на герметичность бака целиком. В варианте (I2) допустимо изготовление шпангоута из профиля с последующей сваркой в кольцо, но с проверкой герметичности сварки на стадии изготовления шпангоута путем подачи давления в полость кольца (до разделки отверстий под крепеж).Рисунок 12 – Стыковые шпангоуты баков (1 – днище; 2 – обечайка; 3 – стыковой шпангоут; 4 – кольцо; 5 – шпангоут; 6 – «юбка»)9) Рядовые шпангоуты баков Рядовые шпангоуты баков могут быть использованы для: • поддержания формы при сварке обечайки бака, • поддержания формы бака при его транспортировке, • поддержания формы бака при появлении набольших внешних нагрузок (перепад между давлением в баке и атмосферным давлением, реакции опор, давление ветра и т.п.), • увеличения собственной частоты колебаний в обечайке, • восприятия нагрузок, появляющихся при изломе образующей бака. На рисунке 13 показаны примеры конструкции рядовых шпангоутов. Они могут быть: • отштампованы из листового материала и приварены к обечайке (I1); • собраны с использованием заклепок (I2 и II1); • изготовлены из профиля и приварены к обечайке или вварены в обечайку (II2 и II3). Рисунок 13 – Рядовые шпангоуты баков (1 – днище; 2 – обечайка; 3 – кольцо обечайки; 4,5 – шпангоут; 6 – накладка; 7 – вкладыш; 8,9 – шпангоуты)Если сваренный полностью бак транспортировать, заправлять и опоражнивать при наличии внутреннего давления в баке, тогда рядовых шпангоутов на участках бака с прямолинейными образующими (цилиндр, конус) может и не быть, что резко уменьшит общую массу бака, но усложнит технологию изготовления бака и эксплуатацию ракеты. Такой бак имеется на ракете "Атлас" (США). Шпангоуты, расположенные в местах излома образующих обечаек бака (II1), (II2), (II3), воспринимают сжимающие или растягивающие усилия: Р1,Р2 - продольные усилия в баке; Р3 - растягивающие усилия; Р4 - сжимающие усилия. Условия прочности таких шпангоутов обеспечиваются выполнением неравенства: - если в шпангоуте растягивающие напряжения; - если в шпангоуте сжимающие напряжения;где f - коэффициент безопасности; - напряжение в шпангоуте ();- продольное погонное усилие в обечайке ();D - диаметр бака в месте излома образующей; - продольное усилие в оболочке (за счет продольной перегрузки и давления в баке); - площадь сечения шпангоута; - угол между образующими в месте излома (см. рис. 1.14);- критические напряжения на сжатие кольца (общие или местные).Рисунок 14 – Усилия, действующие на шпангоуты в месте излома (1 – обечайка; 2 – шпангоут; 3 – шпангоут; 4 – обечайка)10) Шпангоуты сферических баков Сферические баки, встроенные в корпус ракеты, могут иметь силовые шпангоуты 3 (см. рис. 1.15), служащие не только для крепления бака, но и для передачи усилий вдоль корпуса. Из-за разности жесткостей шпангоута и оболочки возле шпангоута появляются большие изгибные напряжения, которые могут быть сглажены за счет переменных по толщине полок профиля шпангоута (I2). Для этих же целей уменьшают жесткость шпангоута путем вырезания его полки (A2). При необходимости присоединения к оболочке фермы, переходного отсека и других силовых конструкций необходимо в оболочку бака вваривать дополнительный шпангоут б. При этом следует выполнять требование к конструкции тонкостенных оболочек -теоретические контуры сферы и других оболочек должны сопрягаться по касательной, исключив, по возможности, силы, нормальные к оболочке. Размеры сечения шпангоута выбирают в соответствии с размерами присоединяемых к нему фланцев отсеков.Рисунок 15 – Шпангоуты сферических баков (1 – полусфера; 2 – сферическая обечайка; 3,4 – шпангоуты; 5 – донышко; 6 – дополнительный шпангоут)11) Шпангоуты торовых баков Шпангоуты торовых баков (см. рис.