用于飞行器的氢罐

技术领域

本发明涉及用于飞行器的氢罐，该氢罐包括由复合材料或金属制成的护套，以抵抗由压缩载荷或压力载荷产生的屈曲。

背景技术

当前的氢容器不是为飞行器飞行条件设计的，并且氢容器分为两组，气态氢和液态氢(GH2和LH2)：

罐容器GH2：罐容器GH2是为储存气态氢而建造的并且设计成具有高的厚度以承受很大的压力(约700巴)，主要用于容器重量不是关键的行业。

罐容器LH2：罐容器LH2是为储存液态氢而建造的，并且由于罐容器LH2不承受很大的压力(约5巴)而设计成具有小的厚度。罐容器LH2主要在其中重量是关键的航空航天领域中用于运载火箭。

在飞行器应用中，由于重量条件，LH2罐解决方案是最合适的，但是除了LH2罐解决的运载火箭的许多挑战之外，还必须解决将LH2罐集成在飞行器系统中的附加要求。特别地：

飞行操纵：飞行器与运载火箭相比具有更大的操纵范围，运载火箭主要具有沿Z轴的加速度，这些加速度可以被运载火箭环反作用。对于飞行器应用，需要对LH2容器进行附加保护，以将罐附接至飞行器并承受飞行载荷。

隔离：由于不同的任务条件，飞行器应用的休眠时间与运载火箭相比更长。这意味着，与其中不需要真空的空间应用相比，罐隔离需要包括在附加保护与内部容器之间的真空的附加的复杂性。

压力载荷：作为罐容器的集成元件使用的平坦面板会经受压力载荷，这将在面板中产生压缩载荷，从而呈现出屈曲条件的最差情况中的一种情况。因此，需要对平坦面板进行附加增强。

发明内容

本申请解决了在用于飞行器的罐容器中提到的挑战。

本申请提出了一种新型的罐，该罐由承受正压载荷(张力)的容器和由复合材料或金属制成的外护套组成，该外护套提供了承受真空压力和飞行载荷的较轻的解决方案。该外护套包括筒形区域和两个半球。

特别地，该罐包括具有半球形形状和第一L形端部的第一外护套圆顶和第二外护套圆顶。第一筒形外护套和第二筒形外护套包括第二L形端部。第一L形端部和第二L形端部形成将第一外护套圆顶和第二外护套圆顶附接至第一筒形外护套和第二筒形外护套的L形接合部。

第一外护套圆顶和第二外护套圆顶以及第一筒形外护套和第二筒形外护套由复合材料或金属制成。

本发明的主要优点是：

与弯曲面板及其集成的常规设计相比，所提出的氢罐提高了机械性能。所提出的外护套接合部呈现了外护套的模块化组成，这有助于正确的触及以用于系统安装并且有助于隔离层组装以及真空产生。所提出的模块化构思允许对外护套进行适当的拆卸过程，以用于罐结构或系统检查和修复。

由于需要加强件并且面板厚度减少，所提出的罐解决方案有助于简化飞行器应用的复合材料LH2罐设计，与金属罐设计相比具有以下优势：

-重量减轻：与金属构思相比，复合材料解决方案允许更轻的解决方案，这有助于在同等LH2量的情况下使用更轻的罐。

-与金属解决方案相比，提高了飞行质量(buy to fly)。

在优选实施方式中，第一筒形外护套和第二筒形外护套包括增强元件。

在优选实施方式的第一示例中，增强元件建立在第一筒形外护套和第二筒形外护套的外侧部中。

在优选实施方式的第二示例中，增强元件建立在第一筒形外护套和第二筒形外护套的内侧部中。

在一些示例中，增强元件包括具有圆形形式的凸起部或具有欧米伽形式的凸起部，这些凸起部包括与第一筒形外护套和第二筒形外护套相同的材料。

在其他示例中，增强元件包括包含与第一筒形外护套和第二筒形外护套相同的材料的托管架(stingers)、垫或倍增件(doublers)。

在第三示例中，第一筒形外护套和第二筒形外护套包括径向通道。

在优选示例中，L形接合部包括紧固件。在一些示例中，紧固件以交错的图案建立。

附图说明

为了更好地理解上述说明，并且出于仅提供示例的目的，包括了示意性描绘实际实施方式的一些非限制性附图。

图1示出了根据本发明的罐容器的示意图。

图2示出了用于筒形外护套的增强元件以及可能的增强元件取向的正视图和侧视图。

图3示出了罐的划分成径向通道的筒形部分。

图4示出了根据本发明的L形接合部。

图5显示了L形接合部的细节。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的氢罐100的示意图。

图1所示的氢罐100包括适于容纳氢的内部容器110。

主要基于外部罐的方案将护套分为下述两个主要部分：

第一部分包括具有半球形形状和第一L形端部125的第一外护套圆顶120a和第二外护套圆顶120b。

第二部分包括建立在第一外护套圆顶120a和第二外护套圆顶120b的顶部上的第一筒形外护套130a以及建立在第一外护套圆顶120a和第二外护套圆顶120b的底部中的第二筒形外护套130b。

第一筒形外护套130a和第二筒形外护套130b包括第二L形端部135。第一L形端部125和第二L形端部135形成将第一外护套圆顶120a和第二外护套圆顶120b附接至第一筒形外护套130a和第二筒形外护套130b的L形接合部400。

第一外护套圆顶120a和第二外护套圆顶120b以及第一筒形外护套130a和第二筒形外护套130b可以由复合材料或金属制成。

具有简单曲率的筒形外护套130a、130b在屈曲条件下具有最差的行为。为了解决这一缺点，提出了以下解决方案：

为了避免向结构添加增强件或增加厚度以避免可能导致重量增加的屈曲，筒形外护套130a、130b的新解决方案基于如图2所示的以下构型，图2示出了包括增强元件140的筒形外护套130a的前视图和侧视图。

对于该特定示例，增强元件140包括可以具有如图2所示的圆形形式的凸起部。在另一示例中，凸起部可以具有欧米伽形式。凸起部的形状可以取决于结构和/或制造行为方面的最佳响应。鉴于所施加的载荷和压力以及凸起部的分布，如图2示出的侧视图所示，凸起部指向筒形外护套130a的内侧或者指向外侧，可以选择圆形形式或欧米伽形式。凸起部可以包括与第一筒形外护套和第二筒形外护套相同的材料。

图3示出了抵抗屈曲的另一种解决方案。特别地，筒形外护套130a包括沿径向方向划分的通道150。增强元件140的这种实施方式的优点在于，作用压力被转化为面板中的张力载荷，这具有减轻屈曲行为的潜力。

图4示出了由第一外护套圆顶120a和第二外护套圆顶120b的L形端部125和筒形外护套130a、130b的L形端部135形成的接合部400。L形端部125、135可以通过紧固件410连结，紧固件410以交错的图案分布，如图5所示。

该接合部400可以避免为安装紧固件而在真空区域钻孔，并且具有在两个“L”的外部区域处作用的相同压力，从而避免了区域塌陷和真空损失的风险，如图4所示。另外，就结构行为而言，具有主要以压缩方式加载的两个部分的L形接合部避免了接合部中的展开效应。交错图案被认为比简单图案更好，以确保内部容器与外部罐之间的隔离区域中的真空。

尽管已经参照了本发明的特定实施方式，但是对于本领域技术人员而言明显的是，本文中描述的氢罐可以有多种变型和改型，并且在不脱离所附权利要求限定的保护范围的情况下，所提及的细节中的所有细节可以替换为其他技术上等同的细节。