Конструкция баков

Топливные баки состоят из обечаек и днищ.

Обечайки топливных баков выполняются в виде тонкостенных гладких или подкрепленных оболочек. Типы обечаек, применяемых в топливных баках современных ракет, показаны на рис. 3.2.

а)

б)

в)

Рис. 3.2. Виды обечаек цилиндрических топливных баков:

а) подкрепленная легким формообразующими шпангоутами; б) панельная обечайка; в) вафельная обечайка

Каждый бак может иметь собственные верхнее и нижнее днища (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Схема топливного отсека, состоящего из баков
с раздельными днищами:

1 – бак окислителя; 2 – днище бака окислителя; 3 – межбаковый отсек;
4 – бак го­рючего; 5 – днище бака горючего

Часто днища двух соседних баков выполняются общими или совмещенными (рис. 3.4). Такая конструкция днищ дает определенный выигрыш в массе и длине топливного отсека, однако, требует значительно более тща­тельного изготовления, т.к. возникает опасность соединения КРТ, находящихся в баках, при проникновении их через микродефекты в сварных швах. Это особенно опасно при размещении в баках пар самовоспламеняющихся компонентов.

Рис. 3.4. Схема топливного отсека с совмещенными днищами:

1 – бак окислителя; 2 – силовое совмещенное днище; 3 – герметизирующее со­вмещенное днище; 4 – бак горючего

3.3.3.1. Гладкие баки

При некотором значении избы­точного давления необходимость в продольном и поперечном на­боре для подкрепления обечайки отпадает. Такие баки могут выполняться в виде тонкостенной цилиндрической оболочки. Кон­струкция гладкого бака показана на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Конструкция бака без подкрепляющих элементов:

1 – верхнее днище; 2 – опорный шпангоут; 3 – об­шивка; 4 –распорный шпангоут; 5 – обечайка

Если размеры и нагрузки, действующие на бак, не позволяют выполнить бак гладкой конструкции, используют баки каркасного типа.

3.3.3.2. Бак с продольным набором

Как правило, баки основных КРТ ракет-носителей являются не­сущими, т.е. передающими нагрузки от двигателя к вышележащим частям РН. Поэтому такие баки могут подвергаться действию интен­сивных сжимающих нагрузок, вследствие чего может произойти по­теря устойчивости оболочек баков. Для предупреждения потери ус­тойчивости баки подкрепляются. Подкрепление оболочек может осуществляться с помощью продольных тонкостенных элементов (стрингеров), поперечных кольцевых элементов (шпангоутов), со­единяемых с обечайками сваркой, либо оболочки баков могут иметь вафельную конструкцию.

На рис. 3.6 показана конструкция бака с продольным набором, на рис. 3.7 показан бак со шпангоутами, на рис. 3.8 – бак каркасного типа, на рис. 3.9–3.12 бак и различные виды подкреплений вафельного типа.

Рис. 3.6. Бак с продольным набором:

1 – верхнее дни­ще; 2 – опорный шпангоут; 3 – панель обечайки; 4 – нижнее днище; 5 – тоннельная труба

Рис. 3.7. Бак со шпангоутами:

1 – опорный шпангоут; 2 – обшивка; 3 – верхнее днище; 4 – распорный шпан­гоут; 5 – обечайка; 6 – шпангоут; 7 – промежуточный шпангоут; 8 – перегородка бака; 9 – шпангоут; 10 – нижнее днище; 11 – фланец

Рис. 3.8. Бак каркасного типа:

1 – верхнее днище; 2 – обечайка; 3 – шпангоут; 4 – стрингер; 5 – ниж­нее днище; 6 – ребро панели; 7 – уголок (вариант а – шпангоут крепится к обечайке, а стрингеры кре­пятся только к шпангоуту; вариант б – шпангоут кре­пится угольниками к продольному ребру)

Рис. 3.9. Бак вафельного типа:

1 – опорный шпанго­ут, 2 – обшивка; 3 – верхнее днище; 4 – обечайка вафельного типа; 5 – нижнее днище; 6 – тоннельная труба

а) 6) в)

Рис. 3.10. Типы вафельных цилиндрических оболочек:

а) квадратная прямая; б) квадратная наклонная под 45°; в) треугольная

Рис. 3.11. Вафельное подкрепление конических оболочек:

Рис. 3.12. Схемы вафельных сферических оболочек:

а) с радиально-концентрическими вафлями; б) с квадратными вафлями; в) с радиальными ребрами

3.3.3.3. Шпангоуты бака

Места стыка днища и обечайки характеризуются изменением кривизны обечаек и возникновением распорных усилий. Чем плавнее переход от днища к обечайке, тем меньше величина распорного усилия (предельный случай у днища полусферической формы). Для восприятия распорных усилий применяются распорно-стыковочные шпангоуты, конструкция которых определяется разме­рами бака и величиной действующих напряжений (рис. 3.13, 3.14).

Рис. 3.14. Характерные сечения распорно-стыковочных шпангоутов

В местах концентрации напряжений (резком изменении кривизны обечайки или жесткости элементов конст­рукции) нежелательно использовать сварные соединения. Поэтому, если шпангоуты не предусмотрены, днища желательно изготавливать вместе с цилиндрической частью высотой более 30 мм.

Аналогичные требования предъявляются к элементам шпангоутов, стыкуемым с обе­чайкой и днищами.

Части шпангоута и обечайки, примыкающие друг к другу, под сварку должны иметь участки одинаковой толщины протя­женностью 20...25 мм с обеих сторон сварочного шва. При соединении днища и обечайки или этих элементов со шпангоутами желательно, чтобы их срединные поверхности являлись одна продолжением другой (см. рис. 3.15).

Конструктивное оформление типового соединения распорного шпангоута с обечайками представлено на рис. 3.16.

В некоторых случаях для сохранения формы обечаек при изгибе внутри баков могут устанавливаться легкие формообразующие шпангоуты. Иногда эти шпангоуты могут использоваться как эле­менты гашения колебаний жидкости.

Днища соединяются с обечайками мощными кольцевыми распорными элементами (шпангоутами), на которых крепятся другие отсеки и двигатели.

Схемы таких соединительных элементов показаны на рис. 3.17.

Рис. 3.17. Схемы соединения топливных и сухих отсеков:

а) Внутреннее соединение с помощью шпилек:

1 – обечайка бака; 2 – днище ба­ка; 3 – силовой стыковочный шпангоут бака; 4 – стыковочный шпангоут сухого от­сека; 5 – обечайка сухого отсека; 6 – соединительная шпилька с гайкой;

б) Внутреннее соединение с помощью болтов:

1 – обечайка бака; 2 – днище бака; 3 – силовой шпангоут бака; 4 – стыковочный шпангоут бака; 5 – стыковочный шпанго­ут сухого отсека; 6 – обечайка сухого отсека; 7 – стыковочные болты с гайками;

в) Внешнее соединение с помощью утопленных шпилек:

1 – обечайка бака; 2 – днище бака; 3 – силовой стыковочный шпангоут; 4 – стыковочный шпангоут сухо­го отсека; 5 – обечайка сухого отсека; 6 – стрингер сухого отсека; 7 – заклепочное соединение стрингера и обечайки сухого отсека; 8 – " карман" для установки стыко­вочных шпилек; 9 – соединительные шпильки с гайками;

г) Внешнее соединение с помощью болтов:

1 – обечайка бака; 2 – днище бака; 3 – стыковочный силовой шпангоут бака; 4 – стыковочный шпангоут сухого отсека; 5 – обечайка сухого отсека;
6 – наружный стрингер сухого отсека; 7 – соединитель­ный болт с гайкой;

д) Сварное соединение бака с сухим отсеком:

1 – обечайка бака; 2 – днище бака; 3 – силовой стыковочный шпангоут бака; 4 – стыковочный шпангоут сухого отсека; 5 – обечайка сухого отсека; 6 – соединительный шпангоут сухого отсека