膜盒式貯箱金屬膜盒疲勞壽命預測與試驗

范 凱，喬艷偉，王婷婷，趙和明，魯思源

(1.上海空間推進研究所，上海 201112； 2.上海空間發動機工程技術研究中心，上海 201112)

0 引言

膜盒式貯箱作為一種可實現推進劑重復加注和排放的推進劑貯箱，可應用于在軌航天器的推進劑補加和金屬膜片貯箱的溫度交變補償。目前國際空間站所采用的推進劑補加技術就是通過膜盒式貯箱實現的，也是目前應用最為廣泛和成熟的補加技術。

膜盒式貯箱一般由圓柱形貯箱殼體和類似波紋管結構的金屬膜盒組成，具體結構如圖1所示。其由膜盒將貯箱腔體隔離形成液腔和氣腔，并通過膜盒的拉伸和壓縮來實現液體推進劑的加注和排出功能，類似結構同樣應用于液體火箭蓄壓器和液體火箭發動機渦輪泵端面密封結構上。膜盒結構復雜，在其制造加工過程中不可避免會出現各種缺陷和變形。同時，其工作過程中由于重復拉伸和壓縮而承受周期性變化的載荷。在交變載荷的反復作用下，膜盒會在應力集中位置或缺陷處逐漸累積疲勞損傷，當損傷累積達到一定程度時，膜盒發生疲勞失效，進而造成推進系統工作異常甚至導致任務失敗。因此，準確預測金屬膜盒的疲勞壽命具有重要的實際意義。

圖1 金屬膜盒推進劑貯箱Fig.1 Metal bellows propellant tank

針對金屬材料疲勞失效及預測問題國內外學者已經開展了大量研究。文獻[7-8]使用剩余強度模型研究金屬疲勞失效問題，實驗表明，金屬結構的疲勞壽命受應力幅值和應力均值的影響顯著。……