[发明专利]具有带有软化带的接头的复合罐及制造该罐的方法

说明书

技术领域

本公开总体上涉及经受低温的复合材料结构，更具体地，涉及在空间探索和运载火箭(launch vehicle)中使用以包含诸如处在低温下的推进剂这样的液体的罐(tank)。

背景技术

可以特定设计某些结构用于在低温环境中使用。例如，航天器和运载火箭可以采用罐来储存固体推进剂或液体燃料(诸如处在低温(通常低于-238华氏温度)下的液态氢和/或液态氧)。为了降低航天器或运载火箭的重量，罐可以由通过一个或更多个接头(joint)彼此附接的若干复合材料部件形成。在这样一个应用中，复合罐包括圆柱形外壁，该圆柱形外壁具有通过经接合的搭接接头接合到圆顶形(dome-shaped)端部的边缘(skirt)，该搭接接头具有Y形横截面。

在大直径(例如，比约14到16英尺更大的直径)的复合低温罐中，接合接头中的线载荷可以在该接头中导致不可接受的高水平的峰值应力，呈现出接头泄漏的可能性。为了增加Y形接头的强度，可以在接头的凹口区域中放置软化带。软化带可以通过使得在结构之间实现更平滑的载荷传递来减小出现在接合线中的剪应力峰值。这可以在环境温度下使用由诸如橡胶这样的材料形成的软化带来实现，但是，在低温下，橡胶和许多其它传统材料不会保持软性(soft)，而是硬化。一旦在低温下硬化，软化带就可能不再能够控制接头中的剪应力。

可以被用作软化带的已知的材料在低温环境下存在若干其它问题。例如，这样的材料通常具有可能与具有相对低的热膨胀系数(CTE)的接头的其它复合材料组件不兼容的CTE。CTE的这种不匹配可以在处于低温下的接头中产生不期望的热致应力。增加设计有效的软化带的挑战是以下的事实：软化带必须在罐的其它复合树脂组件被热固化的温度下保持稳定。另外，理想的是软化带能够被机械地加工成特定于特定接头应用的形状。

因此，需要不会遭受由于在经接合的罐接头中的峰值应力所导致的泄漏的复合材料结构(诸如大直径罐)。还需要用于制造在罐接头中使用软化带的复合罐的方法，该软化带能够减小峰值应力并且在低温下保持有效。

发明内容

所公开的实施方式提供了像适合于在低温环境中使用的罐这样的复合材料结构。该罐可以被用在空间探索和运载火箭中以包含诸如处在低温下的推进剂这样的液体。该罐可以包括通过经接合的搭接接头附接到圆顶端部的圆柱形罐壁。这些实施方式包括位于所述接头中的每一个中用于减小该接头中的峰值应力的软化带。软化带在低温下保持柔性、灵活和柔度(compliant)。软化带使由线载荷通过接头的传递所造成的应力线性化，并且在用于罐壁和圆顶中的热固性树脂被固化的温度下保持稳定。

根据一个所公开的实施方式，一种罐包括：复合罐壁；复合罐圆顶；以及接头，其位于所述壁和所述罐圆顶之间。该罐还包括：软化带，其在位于所述罐和所述圆顶之间的所述接头中。所述接头可以是Y形接头，并且所述软化带的横截面为楔形并接合到所述罐壁和所述罐圆顶以用于控制所述Y形接头中的应力。所述软化带包括具有涂覆有塑性粘合剂(plastic binder)的纤维的三维织物。所述三维纤维包括编织纤维、编结纤维和层叠纤维层中的一个，并且所述纤维可以是石墨纤维。所述纤维沿着三条基本正交的轴线延伸。在一个应用中，所述纤维具有在约2到15微米的范围内的直径。所述塑性粘合剂是聚合物，该聚合物在室温和低温二者下是适形的。所述塑性粘合剂可以是含氟聚合物，该含氟聚合物在低于约-150°F的温度下具有弹性柔度(elastic compliance)并且在高达约400°F的温度下具有稳定性。所述三维织物是多孔的，并且所述纤维和所述塑性粘合剂在室温和低温二者下是柔性的。

根据另一个实施方式，提供了一种航天器运载火箭。该运载火箭包括：具有基本圆柱形的壁和至少一个第一圆顶的复合树脂罐。所述壁沿着接头接合到所述圆顶。软化带位于所述接头中以减小所述接头中的峰值剪应力。所述软化带包括：具有三维放置的纤维的织物；以及位于在低温下是柔性的热塑性塑料的纤维上的涂层。所述织物是多孔的，并且所述纤维在低温下是柔性的。所述壁和所述圆顶中的每一个都由具有固化温度的热固性树脂形成的，并且所述热塑性塑料具有比所述热固性树脂的所述固化温度更高的熔点。所述热塑性塑料可以是氟化乙烯丙烯。所述纤维是柔性的并在低温下相对于彼此可移动。