Сварка топливного бака ракеты-носителя семейства "Анагара"

Содержание

 

Введение

1. Технологическая часть

1.1 Описание объекта производства, условий эксплуатации и обоснование  технических требований, предъявляемых  к конструкции

1.2 Оценка технологичности сборочной  единицы и методов её обеспечения

1.3 Анализ типа производства

1.4 Анализ и обоснование выбора  материала конструкции

1.5 Разработка технологического  процесса сборки-сварки корпуса  бака

1.5.1 выбор метода сборки сборочной  единицы-корпуса бака горючего

1.5.1.1 Выбор типа сварки, назначение  режимов сварки

1.5.1.2 Базирование подсборок при сварке

1.5.2 Выбор метода испытаний и  контроля сборочной единицы-корпуса  бака горючего.

1.5.2.1 Дефектоскопия сварных соединений

1.5.2.2 Испытания на прочность

1.5.2.3 Испытания на герметичность

1.5.2.3.1 Расчёт параметров испытаний на герметичность

1.5.3 Проектирование технологического  процесса сборки-сварки корпуса  бака

1.5.4 Маршрутный технологический  процесс

2. Конструкторская часть

2.1 Краткое технико-конструктивное  описание используемой технологической  оснастки и используемого инструмента

2.1.1 Используемый инструмент

2.1.2 Корзина для сварки

2.1.3 Кольцо для сварки

2.1.4 Приспособления для сварки  кольцевых швов

Заключение

Список используемой литературы

 

Введение

 

Одним из важных силовых агрегатов летательных  аппаратов являются баки, предназначенные для хранения жидких компонентов топлива в течениии определённого времени: от нескольких часов с момента предполётной заправки до нескольких лет, при эксплуатации изделий в заправленном (актуализированном) состоянии.

Форма основных баков изделия зависит от аэродинамики и компоновочной схемы конструкции, а вспомогательных баков - только от удобства компоновки. Поэтому основные баки обычно выполняются цилиндрическими, а вспомогательные - шаровыми, торовыми и других форм.

Нагрузки  на стенки несущих баков в основном связаны с осевым сжатием под действием нагрузки вышерасположенных отсеков изделия и сил лобового сопротивления с действующими перегрузками, а также с гидростатическим давлением столба жидкости в баке, её гидравлической неуравновешенностью и возможным действием давления наддува. Обычно этим целям хорошо удовлетворяют алюминиевые сплавы АМг6 (предел прочности 320-400 МПа), а также стали средней прочности типа 12Х18Н10Т (550 Мпа). Для обеспечения жёсткости конструкции стенки баков профилированы или имеют силовой набор.

Кроме тандемной  и пакетной схем расположения баков  в изделии встречаются такие  схемы, как бак в баке, бак с  промежуточным днищем, бак с эластичной диафрагмой и др.

Материал  баков должен быть химически стоек  к компонентам, в число которых входят активные высококипящий окислитель (например азотный тетраксид, перекись водорода, азотная кислота) и горючее (например гидразин, керосин, спирт).

Что касается низкокипящих компонентов топлив, таких  как жидкие кислород и водород, то коррозия не является определяющим фактором выбора материала для работы в контакте с ними. Здесь всё зависит от охрупчивания материала стенки бака. Возможна проверхностная химическая обработка металла стенки бака (например анодирование алюминиевых сплавов); нанесение же металлических, керамических и полимерных покрытий на материал стенки бака с целью повышения его химической стойкости к компонентам недопустим. Кроме того материал конструкции должен обладать хорошими технологическими свойствами (деформируемость, свариваемость и т.д.). И наконец к стенкам баков предъявляют высокие требования по наличию дефектов, которые могли бы вызвать их разрушение или негерметичность.

Конструктивно-технологически корпус наиболее широко распространённого бака цилиндрической формы состоит из обечайки и двух днищ (обычно эллиптической или полусферической формы). В зависимости от размеров бака обечайка состоит из одного или нескольких цилиндров, иногда объединяемых попарно в секции, причём так, чтобы их сварные швы не являлись продолжением один-другого, будучи разнесёнными на некоторый угол по окружности. Если на их внутренних поверхностях нет элементов силового набора, то баки из таких обечаек называют гладкими и они чаще всего бывают стальными и малогабаритными. Что касается крупногабаритных обечаек, то их выполняют из алюминиевых сплавов и они имеют продольно-поперечный силовой набор.

Обечайки  с вафельным фоном обычно получают механической или электрохимической  обработкой стенки, согнутой из целого листа панели, с последующей сваркой между собой продольными швами. Баки длиной 8-12 м и диаметром 3 м собирают из шести таких панелей. Возможна и технология гибки обечаек из листов с вафельным фоном, выполненным методом листовой прокатки. Однако гибка такой панели создаёт огранку на внешней поверхности обечайки, что при больших размеров клетки вафель может привести к значительному снижению прочности и устойчивости оболочки. Вместе с тем вафельные баки обходятся дороже баков с оребрёнными стенками и менее технологичны.

Профили дополнительного силового набора получают прессованием, штамповкой, вырубкой из листа (стрингера) и механообработкой колец, гибкой и сваркой длинных профилей, вырубкой колец из листа (шпангоуты).

Днища состоят  из штампованного эллипсоида, гнутых из прессованного профиля и сваренных встык шпангоутов, а также ряда деталей (элементы крепления) и сборочных единиц (патрубки, стыковочные разъёмы, юбка и т.п.).

В данном проекте будет разрабатываться  технологический процесс сборки-сварки корпуса топливного бака горючего первой ступени ракеты-носителя семейства "Анагара". Ракета-носители семейства "Ангара" являются одним из основных перспективных направлений работы в ГКНЦП им Хруничева, где проходила технологическая практика. Основой для проекта служат материалы и информация, полученная в техническом бюро цеха №3, где проводятся сборочно-сварочные работы по изготовлению корпуса бака.

топливный бак сварное соединение

 

1. Технологическая  часть

1.1 Описание  объекта производства, условий эксплуатации  и обоснование технических требований, предъявляемых к конструкции

 

Топливные баки, предназначенные для хранения жидких компонентов топлива являются одной из важнейших и наиболее габаритных частей ракеты-носителя. В связи с особыми режимами эксплуатации, к топливным бакам предъявляются следующие требования:

• сохранение прочностных характеристик баковой конструкции, позволяющих воспринимать статические и динамические нагрузки, возникающие в процессе полета;
• работа в широком температурном диапазоне;
• минимальность весовых характеристик;
• герметичность конструкции.

На основании  этих требований в отношении топливных  баков выдвигаются обязательное условие обеспечения надежности, которая должна осуществляться на всех этапах создания (проектирование, экспериментальная  отработка, производство). На стадиях проектирования и разработки надежность обеспечивается:

• обоснованием и заданием количественных значений показателей надежности топливного бака и разработкой программ обеспечения надежности;
• введением в технические задания на разработку требований по надежности, сроку службы, контролю и ремонтопригодности, ресурсу, резервированию, анализу возможных отказов и работе с критическими элементами;
• посредством выдвижения качественных требований к структурному построению, способам резервирования, испытаний, качеству изготовления, методам контроля и правилам эксплуатации;
• путем выполнения организационно-технических требований нормативно-технической документации по ракетно-космической технике.

Объем экспериментальной  отработки должен обеспечивать:

• всестороннюю наземную отработку элементов при проведении автономных и комплексных испытаний на всех режимах эксплуатации и при крайних значениях внешних воздействующих факторов, а также определения границ их работоспособности;
• проведение ресурсных испытаний, как правило, до наступления предельного состояния;
• безусловное подтверждение количественных и качественных требований по надежности при наземной отработке элементов и систем и изделию в целом.

Контроль  качества изготовления и надежности при производстве обеспечивается:

• входным контролем материалов, полуфабрикатов и комплектующих изделий;
• контролем прочности и герметичности баков под избыточным давлением;
• проведением комплексных электрических проверок и контроля герметичности гелиевым течеискателем;
• контролем над проведением особо ответственных операций, включая документирование с использованием фото и видео аппаратуры.

Подлежащий  изготовлению объект, бак горючего, предназначенный для хранения компонента космического топлива горючего-керосин, в процессе жизненного цикла ракеты-носителя.

Требования, предъявляемые к баку: минимальная  масса и максимальное использование  рабочего пространства. Нагрузки на стенки несущих баков в основном связаны с осевым сжатием под действием нагрузки вышерасположенных отсеков изделия и сил лобового сопротивления с действующими перегрузками, а также с гидростатическим давлением столба жидкости в баке, её динамической неуравновешенностью и возможным действием давления наддува.

Эти требования обуславливают геометрическую конфигурацию бака, он имеет наиболее распространённую цилиндрическую форму и представляет собой сварную конструкцию, состоящую из цилиндрической обечайки м полусферических днищ.

Диаметр обечайки 2900 мм, длина бака 6335 мм. Для обеспечения надлежащей жёсткости конструкции цилиндрическая обечайка сваривается из листовых панелей, имеющих т. н. вафельный фон с толщиной стенки сот 5 мм и высотой стенок 15 мм. Толщина свариваемых кромок 7.4 мм.

Верхнее и нижнее днища имеют толщину стенок 2,25 мм, в местах сварных швов - 3,5 мм, радиус закругления R=2265 мм.

Днища привариваются  к цилиндрической обечайке торцевой частью распорного шпангоута стыковым швом аргонно-дуговой сваркой. В  обшивке верхнего днища имеется  люк-лаз, предназначенный для доступа в бак, для проведения работ по монтажу, а также других технологических нужд. В данном технологическом процессе он используется для демонтажа сварочного оборудования: сварочных и калибровочных колец из полости бака, после последней сварочной операции. Все обозначения обечайки, днищ и шпангоутов с основными характерными размерами и соответствующая схема сборки приведены на листе чертежей.

1.2 Оценка  технологичности сборочной единицы  и методов её обеспечения

 

Топливные баки представлять собой конструкцию, к которой выносятся следующие технологические требования:

• конструкция бака не подлежит последующим разборке и сборке и должна функционировать на протяжении всего заложенного срока эксплуатации;
• топливные баки должны быть полностью герметичны;
• конструкция бака должна выдерживать заложенные конструктором нагрузки.

Конструкция бака имеет относительно простую  конфигурацию и относительно небольшой  диаметр, что позволяет для многих операций применять уже имеющееся  оборудование, применявшееся для уже отработанных изделий, при разработке технологического процесса использовать имеющиеся типовые технологические процессы, например на сборку-сварку обечаек, что повышает технологичность изделия.

Однако  стоит отметить, что вафельные  баки обходятся дороже баков с оребрёнными стенками и менее технологичны.

Высокие требования к надёжности и точности изготовления требуют многократных контрольных операций, связанных  с необходимостью транспортировки  изделия, его монтажа/демонтажа на рабочие места, также снижают технологичность изделия.

1.3 Анализ  типа производства

 

Производство  космической техники практически  всегда является единичным или мелкосерийным, поэтому для сокращения затрат на изготовление составляющих узлов и  агрегатов необходимо проектировать их с тем расчетом, чтобы имеющееся оборудование было по возможности наиболее универсальным и многофункциональным.

Вместе  с тем для изготовления такого ответственного изделия, которым является корпус топливного бака, для обеспечения высоких характеристик и надёжности изделия необходимо специально созданное для его производства оборудование.

Требованиям прочности и герметичности сварных  швов баков наиболее полно удовлетворяет  сварка плавлением, в частности такой  её метод, как аргонодуговая сварка (АрДС). Степень механизации этих сварочных работ - самая высокая в отрасли (95…97%).

1.4 Анализ  и обоснование выбора материала  конструкции

 

Для изготовления топливного бака необходимо применение материала, отвечающего следующим требованиям:

• высокая удельная прочность;
• малая плотность;
• приемлемая жесткость;
• хорошая обрабатываемость резанием;
• хорошая свариваемость;
• сравнительно невысокая стоимость.