機(jī)載儲(chǔ)液罐研制方法研究

王紅州，張峰

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089）

0 引言

飛機(jī)在飛行試驗(yàn)和使用過(guò)程中需要大量液體介質(zhì)滿足不同的功能需求，如通過(guò)調(diào)節(jié)液體在機(jī)身前后分布實(shí)現(xiàn)飛機(jī)重心調(diào)節(jié)、作為噴水試驗(yàn)機(jī)儲(chǔ)水源、作為液體冷卻源等。飛機(jī)常用的儲(chǔ)液形式包括橡膠油箱、整體油箱等。橡膠軟油箱存在著制造工序繁瑣、復(fù)雜，成本高，使用壽命短，重量代價(jià)大等缺陷，不適宜作為機(jī)艙內(nèi)儲(chǔ)液使用。目前，國(guó)軍標(biāo)、航標(biāo)沒(méi)有機(jī)載儲(chǔ)液容器相關(guān)研制標(biāo)準(zhǔn)，儲(chǔ)液罐設(shè)計(jì)和研制沒(méi)有依據(jù)可循。本文以整體金屬焊接儲(chǔ)液罐作為研究對(duì)象，對(duì)結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)方法、試驗(yàn)等環(huán)節(jié)進(jìn)行了總結(jié)，為機(jī)載儲(chǔ)液罐研制提供方法參考。

1 儲(chǔ)液罐的構(gòu)成

儲(chǔ)液罐主體由罐體、安裝支腿組成，為了滿足儲(chǔ)、輸液系統(tǒng)功能要求，在罐體上設(shè)置進(jìn)液口、出液口、通氣口、排液口、液位傳感器接口等。圖1（a）為運(yùn)輸機(jī)機(jī)載儲(chǔ)液罐結(jié)構(gòu)示意圖。儲(chǔ)液罐通過(guò)安裝支腿上的安裝孔固定在運(yùn)輸機(jī)貨艙安裝結(jié)構(gòu)上，根據(jù)使用需要可以進(jìn)行側(cè)向輔助固定，增加儲(chǔ)液罐使用強(qiáng)度。

圖1 常見(jiàn)儲(chǔ)液罐

2 儲(chǔ)液罐研制內(nèi)容

儲(chǔ)液罐主要功能是為專用系統(tǒng)提供所需的液體源，其設(shè)計(jì)的基本要求是在充分考慮機(jī)艙內(nèi)安裝結(jié)構(gòu)（通常為機(jī)艙地板）承載能力、安裝空間、安裝形式和日常維護(hù)的前提下，合理制定儲(chǔ)液罐的額定儲(chǔ)液量，對(duì)儲(chǔ)液罐進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。另外，為滿足系統(tǒng)功能要求，儲(chǔ)液罐還要設(shè)計(jì)不同的功能接口。

2.1 額定儲(chǔ)液量設(shè)計(jì)

儲(chǔ)液罐儲(chǔ)液量的設(shè)計(jì)取決于飛機(jī)上安裝結(jié)構(gòu)的承載能力。對(duì)于客機(jī)而言，機(jī)艙地板主要用于布置乘用座椅，單位面積載荷滿足載客要求即可，地板單位面積承載量較小?？蜋C(jī)上儲(chǔ)液罐設(shè)計(jì)一般采用小容量，多個(gè)儲(chǔ)液罐分布式布置，重量不超過(guò)允許載荷。對(duì)于貨機(jī)尤其是大型運(yùn)輸機(jī)，由于地板設(shè)計(jì)往往考慮裝載車輛、集裝箱等大重量設(shè)備，地板設(shè)計(jì)強(qiáng)度大，地板局部承載能力很強(qiáng)。貨機(jī)上儲(chǔ)液罐可以增大儲(chǔ)液罐容量，減少儲(chǔ)液罐數(shù)量，便于安裝、維護(hù)。

2.2 儲(chǔ)液罐結(jié)構(gòu)形式

儲(chǔ)液罐分為立式和臥式兩種，通常按密閉容器規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。臥式儲(chǔ)液罐罐體與安裝結(jié)構(gòu)采用分離方式，兩者間通過(guò)卡帶連接。立式儲(chǔ)液罐罐體底部設(shè)置安裝支腿，通過(guò)支腿上連接孔與飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接。根據(jù)立式儲(chǔ)液罐高度，在儲(chǔ)液罐中部位置設(shè)置側(cè)向連接結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)罐體使用強(qiáng)度。立式和臥式儲(chǔ)液罐如圖1 所示。

不同的放置形式對(duì)于使用各有優(yōu)缺點(diǎn)。臥式儲(chǔ)液罐重心低，可以通過(guò)卡帶進(jìn)行固定，罐體強(qiáng)度和固定結(jié)構(gòu)容易得到保證。臥式安裝對(duì)罐體剛度要求較高，一般適用于直徑相對(duì)較小的儲(chǔ)液罐。但是，臥式儲(chǔ)液罐在飛行過(guò)程中液體晃動(dòng)對(duì)儲(chǔ)液罐重心影響相對(duì)較大。立式儲(chǔ)液罐重心高，需要通過(guò)增加罐體厚度、增加加強(qiáng)筋等形式保證強(qiáng)度，因此存在重量增加、工藝復(fù)雜等一系列缺點(diǎn)。但是立式儲(chǔ)液罐液體晃動(dòng)對(duì)重心影響相對(duì)較小，可以用于調(diào)節(jié)飛機(jī)重心。

2.3 儲(chǔ)液罐材料的選擇

儲(chǔ)液罐一般可選擇鋁合金結(jié)構(gòu)、不銹鋼結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)。儲(chǔ)液罐所選用的材料除滿足強(qiáng)度要求外，還應(yīng)適應(yīng)載機(jī)的工作環(huán)境，能夠耐受由于燃油、鹽霧、潮濕以及各種環(huán)境條件下引起的腐蝕，能承受運(yùn)輸、儲(chǔ)存和正常使用壽命期內(nèi)發(fā)生的磨損，并且滿足重量要求。本文所研究的儲(chǔ)液罐，由于載機(jī)無(wú)嚴(yán)格的重量要求，在確保強(qiáng)度滿足使用要求的前提下，選用了1Cr18Ni9Ti 不銹鋼材料，儲(chǔ)液罐在較大變形下也能保證其密封性。

2.4 儲(chǔ)液罐接口

儲(chǔ)液罐通常設(shè)置進(jìn)液口、出液口、通氣口、排液口、液位傳感器接口、液位計(jì)接口，使儲(chǔ)液罐除了具備液體輸入、輸出功能外，還能夠通過(guò)連接傳感器監(jiān)控儲(chǔ)液罐內(nèi)壓力、溫度、液位等信息。此外，通過(guò)對(duì)通氣接頭封閉或打開(kāi)，儲(chǔ)液罐也可以作為密閉容器和常壓容器使用。

2.5 儲(chǔ)液罐強(qiáng)度設(shè)計(jì)

GJB 67.3-85 對(duì)飛機(jī)油箱強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格，要求在飛機(jī)事故中保證密封性，避免燃油泄漏引起爆炸。機(jī)載儲(chǔ)液罐通常用于存儲(chǔ)水、防凍液等液體，不用于存放燃油，因此強(qiáng)度設(shè)計(jì)可以按固定設(shè)備考慮。

儲(chǔ)液罐強(qiáng)度設(shè)計(jì)根據(jù)具體使用情況按兩種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)：（1）在飛機(jī)失事過(guò)程中可能導(dǎo)致人員傷亡或阻塞失事飛機(jī)出口的構(gòu)件裝置應(yīng)按飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)載系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，或按GJB 67.3-85 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即縱向過(guò)載：向前9.0，向后1.5；側(cè)向過(guò)載：1.5；法向過(guò)載：向下4.5，向上2.0。（2）在飛機(jī)失事過(guò)程中不會(huì)導(dǎo)致人員傷亡或阻塞失事飛機(jī)出口的構(gòu)件裝置應(yīng)按飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)載系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，或按GJB 67.3-85 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即縱向過(guò)載：向前3.0，向后1.5；側(cè)向過(guò)載：1.5；法向過(guò)載：向下4.5，向上2.0。

儲(chǔ)液罐強(qiáng)度設(shè)計(jì)過(guò)程中，需根據(jù)設(shè)計(jì)載荷對(duì)不同工況下儲(chǔ)液罐受力進(jìn)行分析，保證結(jié)構(gòu)形式滿足使用強(qiáng)度要求。儲(chǔ)液罐生產(chǎn)完成后進(jìn)行靜力試驗(yàn)，確保儲(chǔ)液罐強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.6 儲(chǔ)液罐密封性設(shè)計(jì)

儲(chǔ)液罐結(jié)構(gòu)形式和成型工藝是保證密封性的重要手段。罐體由兩端標(biāo)準(zhǔn)封頭和中間等直段焊接組成，整體結(jié)構(gòu)僅有3 條焊縫，提高了密封可靠性。所有焊縫采用熔焊連續(xù)焊接，提高了密封性和焊縫強(qiáng)度，其中等直段焊縫和等直段與一側(cè)封頭間焊縫采用雙面焊接。儲(chǔ)液罐制作完成后，要進(jìn)行壓力試驗(yàn)以保證密封性。

2.7 儲(chǔ)液罐環(huán)境試驗(yàn)

國(guó)軍標(biāo)和航標(biāo)規(guī)定了機(jī)載設(shè)備研制所需進(jìn)行的環(huán)境試驗(yàn)，如沖擊、振動(dòng)、高低溫、加速度等項(xiàng)目，用于保證機(jī)載設(shè)備工作期間具有足夠的可靠性。對(duì)于儲(chǔ)液罐而言，其環(huán)境試驗(yàn)?zāi)康闹饕潜ＷC使用過(guò)程中強(qiáng)度滿足使用要求，試驗(yàn)項(xiàng)目一般包括沖擊、振動(dòng)和加速度。

3 結(jié)語(yǔ)

儲(chǔ)液罐研制除滿足功能性要求外，設(shè)計(jì)中必須注意關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文從儲(chǔ)液罐研制內(nèi)容和方法進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)機(jī)載儲(chǔ)液罐研制具有借鑒作用。