用于飞行器的水和废料的无衬里、可变形的复合罐结构
阅读说明：本技术 用于飞行器的水和废料的无衬里、可变形的复合罐结构 (Linerless, deformable composite tank structure for water and waste of aircraft ) 是由 E·萨尔赛普德斯 M·纳卡拉 D·斯佩恩 S·莫汉 M·拉尔 于 2020-03-27 设计创作，主要内容包括：一种用于航空航天器机载的废料或水系统的无衬里复合罐,包括整体式罐体,该整体式罐体具有与第二复合材料共固化的第一复合材料。第一复合材料包括第一树脂,第二复合材料包括与第一树脂不同的第二树脂。第一复合材料形成整体式罐体的最内表面,该最内表面限定整体式罐体的罐腔室。一种制造无衬里复合储罐的方法,包括提供具有整体式罐的期望内部形状的模具,将第一复合材料应用到模具,将第二复合材料应用到模具,以及将第一复合材料与第二复合材料共固化以形成整体式复合罐。(A linerless composite tank for a waste or water system onboard an aerospace vehicle includes a unitary tank body having a first composite material co-cured with a second composite material. The first composite material includes a first resin and the second composite material includes a second resin different from the first resin. The first composite material forms an innermost surface of the monolithic tank body that defines a tank cavity of the monolithic tank body. A method of manufacturing a linerless composite storage tank includes providing a mold having a desired interior shape of a monolithic tank, applying a first composite material to the mold, applying a second composite material to the mold, and co-curing the first composite material and the second composite material to form the monolithic composite tank.)
相关申请的引用
本申请要求于2019年3月27日提交的美国临时申请号为62/824,873、题为Linerless,Conformable composite tank structure for aircraft water and waste的权利，该申请以整体内容通过引用并入本文。
技术领域
本申请涉及航空航天的水以及废料应用的复合罐结构。
背景技术
用于飞行器的废料系统和水系统(或其他液体输送系统)通常包括一个或多个罐，用于容纳一定体积的液体(例如水和/或废料)。在一些情况下，可以使用各种金属诸如钛、耐腐蚀钢、其他金属来形成这样的罐，因为这样的金属符合航空航天监管要求，例如易燃性、烟雾和毒性合规性、饮用性和/或FDA合规性、压力要求、温度要求、耐化学性要求、结构和/或冲击要求、和/或其他要求。虽然金属罐满足这些航空航天要求，但它们通常很重因此给飞行器增加了相当大的重量，并且将金属形成为飞行器上可能需要的复杂几何形状是困难的。
金属罐的备选品是由复合材料(诸如热塑性或热固性材料)形成的罐。传统上，这样的复合罐需要在罐的内部表面上设置衬里以使复合罐能够符合各种化学和密封要求。传统上这种衬里是缝焊金属衬里或预成型热塑性衬里。形成具有这些衬里的复合罐过程需要有衬里的预先制造步骤，预先制造步骤包括用手将衬里放置在预切图案中、使用缠绕机缠绕、或粘合。虽然与金属罐相比，具有衬里的复合罐重量轻，但由于需要预先制造步骤，这种罐的形成过程可能很耗时并且因此成本很高。例如，复合罐的生产过程需要20-30小时生产时间的情况并不少见。
发明内容
本专利中使用的术语“发明”、“所述发明”、“此发明”和“本发明”旨在广泛地指代本专利的所有主题以及以下的专利权利要求。包括这些术语的陈述应被理解为不限制此处描述的主题或者不限制限制以下的专利权利要求的含义或范围。本专利所涵盖的本发明的实施例由下面的权利要求而不是本概述来定义。该概述是本发明各个方面的高级概述并且介绍了将在以下详细说明部分进一步描述的一些概念。本概述不旨在确定要求保护的主题的关键或基本特征，也不旨在单独使用来确定要求保护的主题的范围。应该通过参考本专利的整个说明书、任何或所有附图和每项权利要求的适当部分来理解本主题。
根据本公开的某些实施例，生产用于航空航天器机载的废料或水系统的整体式复合罐体的方法包括：提供模具，所述模具具有整体式复合罐体的期望内部形状，并且将第一可固化复合材料应用到该模具，其中第一可固化复合材料包括第一树脂。该方法包括将第二可固化复合材料应用到具有第一可固化复合材料的模具，其中第二可固化复合材料包括与第一树脂不同的第二树脂。该方法还包括共固化该第一可固化复合材料与该第二可固化的复合材料，以形成整体式复合罐体。
在一些实施例中，第一树脂包括热固性材料，并且应用第一可固化复合材料包括将热固性材料应用到模具。热固性材料可以包括聚氨酯，并且应用热固性材料可以包括将聚氨酯应用到模具。在各种示例中，第二树脂包括热塑性材料，并且应用第二可固化复合材料包括将热塑性材料应用到模具。在一些情况下，热塑性材料包括环氧树脂，并且应用热塑性材料包括将环氧树脂应用到模具。
在各种实施例中，第二可固化复合材料还包括被并入第二树脂中的至少一个增强纤维，并且应用第二可固化复合材料包括将包括至少一个增强纤维的第二树脂应用到模具。在某些方面，该方法包括在固化后移走模具。在一些情况下，将第一可固化复合材料应用到模具包括应用第一可固化复合材料来使得第一可固化复合材料直接接触模具的表面。在一些实施例中，第一树脂包括聚氨酯并且第二树脂包括环氧树脂。
根据本公开的某些实施例，用于航空航天器机载的废料或水系统的无衬里(linerless)复合罐包括整体式罐体，该整体罐体包括与第二可固化复合材料共固化的第一可固化复合材料。第一可固化复合材料包括第一树脂，第二可固化复合材料包括与第一树脂不同的第二树脂，第一可固化复合材料形成整体式罐体的最内表面，该最内表面限定整体式罐体的罐腔室。
在各种实施例中，第二可固化复合材料还包括被并入第二树脂中的至少一个增强纤维。该至少一个增强纤维可以包括碳纤维、玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维中的至少一种。在一些情况下，至少一个增强纤维包括多个增强纤维。
在一些实施例中，第一树脂包括热固性材料，并且在各种示例中，热固性材料包括聚氨酯。在某些实施例中，第二树脂包括热塑性材料，并且在一些示例中，热塑性材料包括环氧树脂。
根据本公开的某些实施例，用于航空航天器机载的废料或水系统的无衬里复合罐包括整体式罐体，该整体式罐体包括内表面和外表面，其中内表面限定罐腔室。该整体式罐体包括基于环氧树脂的可固化复合材料，该基于环氧树脂的可固化复合材料与基于聚氨酯的可固化复合材料共固化，并且该基于聚氨酯的可固化复合材料形成罐体的内表面。
在一些实施例中，基于环氧树脂的可固化复合材料还包括被并入该基于环氧树脂的可固化复合材料中的至少一个增强纤维。至少一个增强纤维可以包括碳纤维、玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维中的至少一种。
本文描述的各种实施方式可以包括附加的系统、方法、特征和优点，这些附加系统、方法、特征和优点不一定在本文中明确公开，但是在检查以下详细描述和附图后对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。这里旨在将所有这样的系统、方法、特征和优点包括在本公开中并且由所附权利要求保护。
附图说明
图1示出了根据本公开实施例的复合罐结构的示例。
图2示出了根据本公开实施例的形成复合罐结构的形成过程。
具体实施方式
本发明的实施例的主题在此具体地描述以满足法定要求，但是该描述不一定旨在限制权利要求的范围。要求保护的主题可以以其他方式体现，可以包括不同的元件或步骤，还可以与其他现有或未来技术结合来使用。该描述不应被解释为暗示各个步骤或元件之间的任何特定顺序或布置，除非明确描述了各个步骤的顺序或元件的布置。
本文描述了一种用于航空航天器例如(但不限于)飞行器的机载(on board)的水和/或废料系统的复合罐结构。复合罐结构包括第一可固化复合材料，该第一可固化复合材料与第二可固化复合材料共固化来形成复合罐结构的整体式罐体。第一可固化复合材料包括第一树脂，第二可固化复合材料包括与第一树脂不同的第二树脂。在一些非限制性示例中，第一树脂包括热固性材料，第二树脂包括热塑性材料，并且在一个非限制性示例中，第一树脂包括聚氨酯，第二树脂包括环氧树脂。可选地，一个或多个增强纤维可以与第二树脂结合来形成第二复合材料。在各个方面，在第一可固化复合材料与第二可固化复合材料共固化之后，第一可固化复合材料可以形成罐体的最内表面，该最内表面限定罐体的罐腔室。
在某些方面，第一可固化复合材料允许得到的复合罐体符合各种化学、密封、和/或废料或水应用的其他飞行器要求或标准，而不需要单独的衬里作为最内表面。在一些非限制性的示例，具有与第二可固化复合材料共固化的第一可固化复合材料的罐体、可以符合飞行器可燃性、烟雾和毒性的排放标准、可以是耐化学性的(例如可以经受飞行器水和废料应用中的废料、清洁和消毒解决方案)、可以符合FDA标准/符合可饮用标准、可以符合飞行器压力标准(例如承受正压和负压循环)等。
省略单独的衬里减少了形成复合罐所需要的生产时间(以及相关成本)，因为与现有复合罐相比，不再需要衬里预先制造步骤。在某些情况下，与具有衬里的现有罐所需的生产时间相比，生产时间可以减少约50％。与具有衬里的现有罐相比，省略单独的衬里还可减少复合罐的总重量。与具有衬里的复合罐相比，没有衬里的复合罐结构也可以更灵活，并且可以更好地承受使用过程中可能出现的力。复合罐还可形成多种形状，而现有的具有衬里的复合罐无法获得这些形状。
图1示出了根据实施例的用于航空航天器诸如飞行器机载的废料和/或水应用的复合罐结构(100)的示例。复合罐结构(100)包括具有外表面(104)和内表面(106)的一体式或整体式罐体(102)。内表面(106)可以限定一个或多个罐腔室(108)，这些罐腔室可以储存一定量的液体、和/或废料和/或水应用的其他溶液。一个或多个开口(110)可以提供通向罐腔室(多个)(108)的通路，以及配件(112)(或其他合适的联接器或其他部件)可以被连接到开口(110)，使得复合罐结构(100)与废料和/或水应用的其他部件(例如，管道、导管、水槽、马桶、水龙头等)流体连通。图1所示的罐体(102)的特定形状不应被认为是对本公开的限制，因为罐体(102)可根据需要具有各种其他合适的形状。例如，图2示出了与罐体(102)相比具有不同形状的罐体(202A-C)的非限制性示例。可选地，复合罐结构(100)可以包括各种水和/或废料传感器。
整体式罐体(102)包括第一可固化复合材料，该第一可固化复合材料与第二可固化复合材料共固化，以形成整体式罐体(102)。在各个方面，第一可固化复合材料至少部分地形成整体式罐体(102)的内表面(106)。
在各种实施例中，第一可固化复合材料包括第一树脂并且第二可固化复合材料包括与第一树脂不同的第二树脂。在一些实施例中，第一树脂可以包括热固性材料。在一个实施例中，第一树脂包括聚氨酯。可选地，可以将添加剂加入以作为第一可固化复合材料的一部分来改进复合罐的性能和/或满足各种飞行器要求和/或标准。作为一个示例，可以包括添加剂以提高复合罐对可燃性、烟雾和毒性排放标准的合规性。
在一些实施例中，第二可固化复合材料可以包括热塑性材料或热固性材料。适和作为第二可固化复合材料的此类热塑性材料可以包括但不限于聚乙烯亚胺、聚苯硫醚、聚苯砜、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚偏二氟乙烯或任何其他合适的热塑性材料或材料的组合，以及适合作为第二可固化复合材料的此类热固性材料可以包括但不限于环氧树脂、乙烯基酯或任何其他合适的热固性材料或材料的组合。第二可固化复合材料可以任选地包括增强纤维，例如碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维(例如等)、任何其他合适的增强纤维、或它们的组合。纤维可以是连续的或短的纤维还可以是单向的、多向的、编织的、编制的或这些的组合。取决于所选择的工艺，纤维可以在部件铺设时引入树脂(热塑性或热固性)进行干燥，或者可以使用预浸渍纤维(多个)。
图2示出了根据本公开的实施例的用于制造罐体的制造过程的示例。图2示出的过程为形成不同的罐体(202A-C)，但是应当理解，本文讨论的任何罐体都可以通过图2所示的过程形成。
在块(201)中，该过程包括提供心轴或模具，该心轴或模具限定了整体式复合罐体的期望的内部形状。在图2的示例中，示出了三个示例性模具(214A-C)，每个模具具有模具表面(215A-C)，该模具表面限定了罐体的不同内部形状。模具可以由各种合适的材料形成，例如金属、塑料或硅酮。在一些情况下，模具(多个)可以是可充气和可放气的，尽管在其他示例中它们不被需要。
在块(203)中，该过程包括将第一可固化复合材料(216)应用到模具(214A-C)上。在块(205)中，该过程包括将第二可固化复合材料(218)应用到已经具有第一可固化复合材料(216)的模具(214A-C)上。在各个方面，第二可固化复合材料(218)和第一可固化复合材料(216)被应用到模具(214A-C)上以使得第一可固化复合材料接触模具表面(215A-C)和/或将形成罐体(202A-C)的内表面。在块(207)中，该过程包括在烘箱或其他合适的设备中将第一可固化复合材料(216)与第二可固化复合材料(218)共固化以形成罐体(202A-C)。在各个示例中，在共固化阶段之后，模具(214A-C)可以从形成的罐体(202A-C)上被分别移走。取决于模具的类型，该模具可以通过各种合适的工艺被移走、诸如拉出模具(214A-C)中的罐体(202A-C)、放气模具(214A-C)、溶解模具(214A-C)、变形模具(214A-C)等。在一些可选的情况下，在移走模具(214A-C)之后在罐体(202A-C)上执行第二固化工艺。
其他制造复合材料的工艺可以包括树脂传递模塑(RTM)和/或真空辅助树脂传递模塑(VARTM)。这些是用树脂(热塑性或热固性)润湿增强纤维的变体。
下面提供了示例性实施例的集合，包括至少一些被明确列举为“示例”的示例性实施例，这些实施例提供了根据本文描述的概念的各种实施例类型的附加描述。这些示例并不意味着相互排斥、详尽或限制；并且本发明不限于这些示例实施例，而是包括在所发布的权利要求及其等效物的范围内的所有可能的修改和变化。
示例1：一种制造用于航空航天器机载废料或水系统的整体式复合罐体的方法，该方法包括：提供模具，该模具包括整体式复合罐体的期望内部形状；将第一可固化复合材料应用到模具，其中第一可固化复合材料包括第一树脂；将第二可固化复合材料应用到包括第一可固化复合材料的模具，其中第二可固化复合材料包括不同于第一树脂的第二树脂；以及将第一可固化复合材料与第二可固化复合材料共固化，以形成整体式复合罐体。
示例2：根据任何前述或后续示例或示例组合的方法，其中第一树脂包括热固性材料，并且其中应用第一可固化复合材料包括将热固性材料应用到模具上。
示例3：根据任何前述或后续示例或示例组合的方法，其中热固性材料包括聚氨酯，并且其中应用热固性材料包括将聚氨酯应用到模具上。
示例4：根据任何前述或后续示例或示例组合的方法，其中第二树脂包括热塑性材料，并且其中应用第二可固化复合材料包括将热塑性材料应用到模具上。
示例5：根据任何前述或后续示例或示例组合的方法，其中热塑性材料包括环氧树脂，并且其中应用热塑性材料包括将环氧树脂应用到模具上。
示例6：根据任何前述或后续示例或示例组合的方法，其中第二可固化复合材料还包括被并入到第二树脂中的至少一个增强纤维，并且其中应用第二可固化复合材料包括将包括至少一个增强纤维的第二树脂应用到模具上。
示例7：根据任何前述或后续示例或示例组合的方法，还包括在固化后移走模具。
示例8：根据任何前述或后续示例或示例组合的方法，其中将第一可固化复合材料应用到模具包括应用第一可固化复合材料以使得第一可固化复合材料直接接触模具的表面。
示例9：根据任何前述或后续示例或示例组合的方法，其中第一树脂包括聚氨酯并且其中第二树脂包括环氧树脂。
示例10：一种用于航空航天器机载废料或水系统的无衬里复合罐，该复合罐包括整体式罐体，该罐体包括与第二可固化复合材料共固化的第一可固化复合材料，其中第一可固化复合材料包括第一树脂并且第二可固化复合材料包括不同于第一树脂的第二树脂，并且其中第一可固化复合材料形成整体式罐体的最内表面，该最内表面限定整体罐体的罐腔室。
示例11：根据任何前述或后续示例或示例组合的无衬里复合罐，其中第二可固化复合材料还包括被并入第二树脂中的至少一个增强纤维。
示例12：根据任何前述或后续示例或示例组合的无衬里复合罐，其中所述至少一个增强纤维包括碳纤维、玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维中的至少一种。
示例13：根据任何前述或后续示例或示例组合的无衬里复合罐，其中所述至少一个增强纤维包括多个增强纤维。
示例14：根据任何前述或后续示例或示例组合的无衬里复合罐，其中所述第一树脂包括热固性材料。
示例15：根据任何前述或后续示例或示例组合的无衬里复合罐，其中所述热固性材料包括聚氨酯。
示例16：根据任何前述或后续示例或示例组合的无衬里复合罐，其中所述第二树脂包括热塑性材料。
示例17：根据任何前述或后续示例或示例组合的无衬里复合罐，其中所述热塑性材料包括环氧树脂。
示例18：一种用于航空航天器机载废料或水系统的无衬里复合罐，该复合罐包括整体式罐体，该整体式罐体包括内表面和外表面，其中该内表面限定罐腔室，其中整体式罐体包括将基于环氧树脂的可固化复合材料与基于聚氨酯的可固化复合材料共固化，其中聚氨酯基可固化复合材料形成罐体的内表面。
示例19：根据任何前述或后续示例或示例组合的无衬里复合罐，其中所述基于环氧树脂的可固化复合材料还包括结合被并入该基于环氧树脂地可固化复合材料中的至少一个增强纤维。
示例20：根据任何前述或后续示例或示例组合的无衬里复合罐，其中所述至少一个增强纤维包括碳纤维、玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维中的至少一种。
示例21：一种航空航天器机载的水系统，包括任何前述或后续示例或示例组合的无衬里复合罐。
示例22：根据任何前述或后续示例或示例组合的水系统，其中航空航天器包括飞行器。
示例23：一种航空航天器机载的废料系统，包括任何前述或后续示例或示例组合的无衬里复合罐。
示例24：根据任何前述或后续示例或示例组合的废料系统，其中该航空航天器包括飞行器。
附图中描绘的或以上描述的部件的不同布置方式以及未示出或描述的部件和步骤是可能的。类似地，一些特征和子组合是有用的并且可以在不参考其他特征和子组合的情况下使用。出于说明性而非限制性目的描述了本发明的实施例，并且备选实施例对于本专利的读者而言将变得清楚。因此，本发明不限于上述描述或附图中描绘的实施例，并且在不脱离随附权利要求的范围的情况下可以做出各种实施例和修改。
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