CN102852669A - 模块化可重复使用多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模块化可重复使用多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置，包括燃烧室壳体、喷注器组件、燃烧室组件、塞锥组件与支撑连接组件。其中，燃烧室壳体中设置有多个喷注器组件，每个喷注器组件对应连接一个燃烧室组件。所述喷注器组件内部具有氧腔与氢腔，氢腔中具有气氧、气氢单独喷注的氢氧气气直流喷嘴。燃烧室组件内部具有圆转方内喷管。塞锥组件与燃烧室组件相连，通过支撑连接组件支撑。本发明试验装置既可进行冷流试验，又可进行点火热流试验，且实现了各组件模块化设计与装卸，通过更换烧蚀零件可多次重复使用；并采用烧蚀和热沉的被动冷却方式，结构简单，续用成本低。

Description

模块化可重复使用多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置

技术领域

本发明涉及航空航天发动机试验技术领域，具体的说，是一种模块化可重复使用多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置。

背景技术

提高喷管效率，减轻喷管重量，是火箭发动机设计的主要目标。由于航空航天运载器在飞行过程中要经历不同的飞行高度，传统钟型喷管仅在设计高度才能获得最佳的性能，高于或低于设计高度均会造成一定的性能损失，即欠膨胀损失或过膨胀损失。气动塞式喷管由于其外侧开放的流动结构，使得燃气单侧与环境压力相通，受环境反压影响而自动调节膨胀状态，燃气在整个飞行高度上处于完全或接近完全膨胀的状态，喷管的高度性能具有自动补偿特性。国内外研究表明，塞式喷管在设计点附近的性能与理想钟型喷管相近，而低空性能明显优于钟型喷管，喷管效率最多可提高20%～30%；面积比相同时塞式喷管长度远比钟型喷管短，重量可以减轻。塞式喷管的应用前景极其广泛，其高度补偿特性使之尤其适用于要求喷管面积比变化范围大或大面积比的高空工作环境。以塞式喷管发动机为基础的可重复使用运载器可望作为一个通用的空间运输工具用于许多重要的航天领域，如载人航天、空间站物资运输、星际运输、登月运输、卫星搭载等。

塞式喷管发动机的研制过程需要经历大量的预先研究和分系统的实验研究，通过理论分析、数值仿真和试验验证来掌握影响塞式喷管性能的关键因素，之后将多项分解技术综合，进行多次全系统的地面和高空飞行演示验证实验。但目前实验研究的工作难度大、耗费高、试验准备时间长、试验件完成的实验任务有限，特别是针对发动机热流试验，试验件使用次数有限。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种模块化装卸、可多次重复使用的被动冷却式多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置，既可进行冷流试验，又可进行点火热流试验，且实现了各组件模块化设计与装卸，通过更换烧蚀零件可多次重复使用；并采用烧蚀和热沉的被动冷却方式，结构简单，续用成本低。

一种模块化可重复使用多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置，包括燃烧室壳体、喷注器组件、燃烧室组件、塞锥组件与支撑连接组件；所述燃烧室壳体内部并排开设n个筒状内腔，n＞1；每个内腔两端贯通燃烧室壳体前后两端。

所述喷注器组件为包括喷注筒、喷注器环形垫层、喷注器上底、喷注器下底、氢氧气气直流喷嘴、气氧管路接头以及气氢管路接头。

喷注筒具有大内径段与小内径段，小内径段端部焊接有一个气氧管路接头，大内径段端面与板状的喷注器上底固连，喷注筒中大内径段与喷注器上底间形成气氧腔；喷注器上底底面同轴固定有筒状喷注器环形垫层，喷注器环形垫层底端与板状喷注器下底焊接固定，喷注器上底和喷注器下底间形成气氢腔；气氢腔内部设置有至少1个同轴式氢氧气气直流喷嘴；所述同轴式氢氧气气直流喷嘴由管状气氧直流喷嘴与管状气氢直流喷嘴构成；其中，气氧直流喷嘴外侧同轴套接有气氢直流喷嘴；气氧直流喷嘴上端焊接固定在喷注器上底上，下端悬置，且气氧直流喷嘴下端端面与喷注器下底底面齐平；气氢直流喷管两端分别固定于喷注器上底、喷注器下底上，并使气氢直流喷嘴外侧壁与气氧直流喷嘴内侧壁间具有间隙，且沿气氢直流喷嘴周向切线开有通孔；所述的喷注器上底和喷注器下底的中心处开有点火装置安装孔；喷注器下底上由内向外周向分布三圈小孔；所述的喷注器环形垫层周向上对称开设气氢管路通孔，气氢管路通孔与安装在燃烧室外壳上的气氢管路接头连通；上述喷注器组件固定设置在燃烧室壳体内腔后部并使喷注器组件中的小直径段与气氧管路接头位于内腔外部。

所述的燃烧室组件为包括燃烧室内衬、圆转方内喷管与压强测量接口；其中，燃烧室内衬为筒状结构，内部具有圆柱腔；燃烧室内衬侧壁上开有至少1个压强测量通孔，压强测量通孔与安装在燃烧室外壳上的燃烧室压强测量接口连通；圆转方内喷管同为筒状结构，内部由一端开始依次具有收缩腔与扩张腔；其中，收缩腔的收缩端与扩张腔的收缩端相接，扩张腔的收缩端至扩张端由圆型截面过渡到方形截面。

上述结构燃烧室组件整体设置在燃烧室壳体内腔后部，燃烧室内衬一端端面与喷注器组件下底相接，另一端与圆转方内喷管中收缩腔的扩张端端面配合定位，燃烧室组件周向与燃烧室壳体内腔内壁间隙配合；在燃烧室壳体的后部外侧上下分别安装上夹紧块和下夹紧块，通过将上夹紧块与下夹紧块固连，提供燃烧室内衬、圆转方内喷管在燃烧室壳体内密封的压力。

所述的塞锥组件包括塞锥、塞锥侧板与塞锥压强测量接口，其中，塞锥塞锥前端与圆转方内喷管间相对定位；塞锥两侧固定安装有塞锥侧板；在塞锥侧板上由前至后间隔安装塞锥压强测量接口。

所述的支撑连接组件，包括支撑平台、立柱与推力架连接件；其中，塞锥后端固定在支撑平台上，燃烧室组件通过立柱与支撑平台固定；所述推力架连接件固定在立柱前端上。

本发明的优点在于：

1、本发明多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置，即可进行冷流试验，又可进行热流试验，点火可采用固体火药点火和爆震波点火两种方式，且设置有燃烧室压强、塞锥壁面静压和发动机六分力的测量接口；

2、本发明多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置中各组件独立设计与加工，组件间的装配也呈现相对的独立性，即方便整体更换任意组件，也方便更换任意零件；

3、本发明多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置，在进行发动机热流试验时，易对燃烧室和内喷管造成烧蚀，且燃烧室内衬和圆转方内喷管独立加工设计，可方便拆卸、更换，使得本发明试验装置可多次重复使用；

4、本发明多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置采用烧蚀和热沉的被动冷却方式，不存在主动冷却复杂的冷却系统，且可重复使用，续用成本较低；

5、多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置可研究多单元圆转方塞式喷管采用气氢气氧推进剂在不同混合比、压比下的塞式喷管性能，还可以研究塞锥截短率和侧板高度对塞式喷管性能的影响。

附图说明

图1为本发明多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置整体结构示意图；

图2为本发明多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置整体结构侧剖示意图；

图3为本发明多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置中燃烧室组件结构剖视图；

图4为本发明多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置中喷注器组件结构示意图；

图5为本发明多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置中塞锥组件与支撑连接组件结构示意图；

图中：

1-燃烧室壳体            2-喷注器组件          3-燃烧室组件          4-塞锥组件

5-支撑连接组件          6-上夹紧块            7-下夹紧块            101-内腔

201-喷注筒              202-喷注器环形垫层    203-喷注器上底        204-喷注器下底

205-氢氧气气直流喷嘴    205a-气氧直流喷嘴     205b-气氢直流喷嘴     205c-通孔

206-气氧管路接头        207-气氢管路接头      208-点火装置安装      209-小孔

                                              孔

210-气氢管路通孔        301-燃烧室内衬        302-圆转方内喷管      303-压强测量通

                                                                    孔

304-压强测量通孔        3021-收缩腔           3022-扩张腔           401-塞锥

402-塞锥侧板            403-塞锥压强测量接    501-支撑平台          502-立柱

                        口

503-推力架连接件

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种模块化可重复使用多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置，如图1、图2所示，包括燃烧室壳体1、喷注器组件2、燃烧室组件3、塞锥组件4与支撑连接组件5。

所述燃烧室壳体1采用1Cr18Ni9Ti材料加工，内部并排开设n个筒状内腔101，n＞1，如图3所示，内腔101的具体个数取值根据圆转方内喷管301出口宽度与塞锥401宽度共同确定，每个内腔101两端贯通燃烧室壳体1前后两端；用来安装一套喷注器组件2与一套燃烧室组件3。

其中，喷注器组件2为包括喷注筒201、喷注器环形垫层202、喷注器上底203、喷注器下底204、氢氧气气直流喷嘴205、气氧管路接头206以及气氢管路接头207，如图4所示。

喷注筒201具有大内径段与小内径段，小内径段端部焊接有一个气氧管路接头206，大内径段端面与板状的喷注器上底203固连，由此喷注筒201中大内径段可作为气氧腔，用来汇集氧气。喷注器上底203底面同轴固定有筒状喷注器环形垫层202，喷注器环形垫层202底端与板状喷注器下底204焊接固定，由此在喷注器上底203和喷注器下底204间形成气氢腔，用来汇集氢气。气氢腔内部设置有至少1个同轴式氢氧气气直流喷嘴205；所述同轴式氢氧气气直流喷嘴205由管状气氧直流喷嘴205a与管状气氢直流喷嘴205b构成；其中，气氧直流喷嘴205a外侧同轴套接有气氢直流喷嘴205b；气氧直流喷嘴205a用于喷注氧腔中的气氧，上端焊接固定在喷注器上底203上，下端悬置，且气氧直流喷嘴205a下端端面与喷注器下底204底面齐平；气氢直流喷管205b用于喷注氢腔中的气氢，两端分别固定于喷注器上底203、喷注器下底204上，并使气氢直流喷嘴205b外侧壁与气氧直流喷嘴205a内侧壁间具有间隙，且沿气氢直流喷嘴205b周向切线开有通孔205c；由此氢腔中的气氢可由通孔205c进入后由气氢直流喷嘴205b与气氧直流喷嘴205a间的缝隙处进行喷注，且在喷注过程中氢气与氧气可有效隔离。通过上述结构氢氧气气直流喷嘴205，可增强氢氧气体掺混效果。所述的喷注器上底203和喷注器下底204的中心处开有点火装置安装孔208，用于安装固体火药点火装置或爆震波点火装置。喷注器下底204上由内向外周向分布三圈小孔209，外圈小孔209用于形成近壁低温层，内两圈小孔209用于区划喷嘴的燃烧区域。所述的喷注器环形垫层202周向上对称开设气氢管路通孔210，通过气氢管路通孔210与安装在燃烧室外壳1上的气氢管路接头207连通，气氢管路接头207用于连接外部氢气供给管路。所述喷注筒201端面与喷注器上底203端面间采用紫铜垫片实现密封。上述结构喷注器组件2设置在燃烧室壳体1内腔101后部，通过内腔101内侧壁上的凸缘在内腔101前后方向定位，并使喷注器组件2中的小直径段与气氧管路接头206位于内腔外部。所述喷注器上底203与内腔101内侧壁间采用氟橡胶密封圈实现轴向密封。

所述的燃烧室组件3为包括燃烧室内衬301、圆转方内喷管302与压强测量接口303，如图3所示；其中，燃烧室内衬301为筒状结构，内部具有圆柱腔；燃烧室内衬301侧壁上开有至少1个压强测量通孔304，压强测量通孔304与安装在燃烧室外壳1上的燃烧室压强测量接口303连通，燃烧室压强测量接口303用来连接压强传感器，通过压强传感器测量燃烧室内衬301中流场压强。本发明中在燃烧室内衬侧壁上开有两个压强测量通孔304连通两个压强测量接口303，由此连接两个压强传感器，用来测试燃烧室内衬301流场均匀性。圆转方内喷管302同为筒状结构，内部由一端开始依次具有收缩腔3021与扩张腔3022；其中，收缩腔3021为轴对称腔体，且收缩腔3021的扩张端端口直径与燃烧室内衬301内径相等；收缩腔3021的收缩端与扩张腔3022的收缩端相接，扩张腔3022的收缩端至扩张端由圆型截面过渡到方形截面，采用等长度等截面积转换法设计。

如图3所示，上述结构燃烧室组件3整体设置在燃烧室壳体1内腔101后部，燃烧室内衬301一端端面与凸缘配合定位，另一端与圆转方内喷管302中收缩腔3021的扩张端端面配合定位，燃烧室组件3周向与燃烧室壳体1内腔101内壁间隙配合，由此便于燃烧室组件3安装与更换。圆转方内喷管302的收缩腔3021的收缩端端面与燃烧室内衬301端面间设置有氟橡胶密封圈实现轴向密封；燃烧室内衬301端面与燃烧室壳体1上的凸缘间均采用紫铜垫片实现燃烧室内衬301与燃烧室壳体1间的轴向密封。在燃烧室壳体的后部外侧上下分别安装上夹紧块6和下夹紧块7，通过将上夹紧块6与下夹紧块7固连，由此提供了燃烧室内衬301、圆转方内喷管302在燃烧室壳体1内密封的压力。

所述的塞锥组件4包括塞锥401、塞锥侧板402与塞锥压强测量接口403，如图1所示，其中，塞锥401采用抛物线与三次曲线近似法进行型面设计，塞锥401底部设计为向外圆弧形式，与塞锥401壁面采用一体化加工方式，用来减少塞锥401底面与水平面间区域（亚音速回流区）的面积。塞锥401前端与下夹紧块7通过加紧螺栓固连，实现塞锥401前端与圆转方内喷管302间的相对定位。塞锥401内部开有横向通孔，用来安装塞锥侧板402。所述塞锥侧板402通过在塞锥401内部的横向通孔内设置双头螺柱实现与塞锥401间的固连。在塞锥侧板402上由前至后间隔一定距离安装塞锥压强测量接口403，用来连接压强传感器，通过压强传感器测量塞锥401上表面的静压。所述的塞锥侧板402的高度可以调节，用来研究不同的塞锥侧板402高度对塞式喷管性能的影响。

所述的支撑连接组件5，用来支撑和固定上述各部分构成的整个试验塞式喷管发动机，如图5所示，包括支撑平台501、立柱502与推力架连接件503；其中塞锥401后端固定在支撑平台501上，燃烧室组件3通过立柱502与支撑平台501固定。所述推力架连接件503固定在立柱502前端上，用于连接推力架以测量发动机的推力。

所述的喷注器组件2为可拆卸结构，采用螺纹压紧方式与燃烧室外壳1连接。所述的燃烧室内衬301和圆转方内喷管302采用钨渗铜（Wu-10Cu）材料加工，用于热沉和烧蚀防护，高温实验时能够保证在3400K以上不烧蚀，且便于拆卸更换，结构简单，实现了燃烧室结构的多次重复使用。所述的塞锥401为独立可拆卸结构，便于更换截短率不同的塞锥401，用来研究不同的塞锥401截短率对塞式喷管性能的影响。

Claims (7)

1.一种模块化可重复使用多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置，其特征在于：包括燃烧室壳体、喷注器组件、燃烧室组件、塞锥组件与支撑连接组件；所述燃烧室壳体内部并排开设n个筒状内腔，n＞1；每个内腔两端贯通燃烧室壳体前后两端；

所述喷注器组件为包括喷注筒、喷注器环形垫层、喷注器上底、喷注器下底、氢氧气气直流喷嘴、气氧管路接头以及气氢管路接头；

喷注筒具有大内径段与小内径段，小内径段端部焊接有一个气氧管路接头，大内径段端面与板状的喷注器上底固连，喷注筒中大内径段与喷注器上底间形成气氧腔；喷注器上底底面同轴固定有筒状喷注器环形垫层，喷注器环形垫层底端与板状喷注器下底焊接固定，喷注器上底和喷注器下底间形成气氢腔；气氢腔内部设置有至少1个同轴式氢氧气气直流喷嘴；所述同轴式氢氧气气直流喷嘴由管状气氧直流喷嘴与管状气氢直流喷嘴构成；其中，气氧直流喷嘴外侧同轴套接有气氢直流喷嘴；气氧直流喷嘴上端焊接固定在喷注器上底上，下端悬置，且气氧直流喷嘴下端端面与喷注器下底底面齐平；气氢直流喷管两端分别固定于喷注器上底、喷注器下底上，并使气氢直流喷嘴外侧壁与气氧直流喷嘴内侧壁间具有间隙，且沿气氢直流喷嘴周向切线开有通孔；所述的喷注器上底和喷注器下底的中心处开有点火装置安装孔；喷注器下底上由内向外周向分布三圈小孔；所述的喷注器环形垫层周向上对称开设气氢管路通孔，气氢管路通孔与安装在燃烧室外壳上的气氢管路接头连通；上述喷注器组件固定设置在燃烧室壳体内腔后部并使喷注器组件中的小直径段与气氧管路接头位于内腔外部；

所述的燃烧室组件为包括燃烧室内衬、圆转方内喷管与压强测量接口；其中，燃烧室内衬为筒状结构，内部具有圆柱腔；燃烧室内衬侧壁上开有至少1个压强测量通孔，压强测量通孔与安装在燃烧室外壳上的燃烧室压强测量接口连通；圆转方内喷管同为筒状结构，内部由一端开始依次具有收缩腔与扩张腔；其中，收缩腔的收缩端与扩张腔的收缩端相接，扩张腔的收缩端至扩张端由圆型截面过渡到方形截面；

上述结构燃烧室组件整体设置在燃烧室壳体内腔后部，燃烧室内衬一端端面与喷注器组件下底相接，另一端与圆转方内喷管中收缩腔的扩张端端面配合定位，燃烧室组件周向与燃烧室壳体内腔内壁间隙配合；在燃烧室壳体的后部外侧上下分别安装上夹紧块和下夹紧块，通过将上夹紧块与下夹紧块固连，提供燃烧室内衬、圆转方内喷管在燃烧室壳体内密封的压力；

所述的塞锥组件包括塞锥、塞锥侧板与塞锥压强测量接口，其中，塞锥塞锥前端与圆转方内喷管间相对定位；塞锥两侧固定安装有塞锥侧板；在塞锥侧板上由前至后间隔安装塞锥压强测量接口；

所述的支撑连接组件，包括支撑平台、立柱与推力架连接件；其中，塞锥后端固定在支 撑平台上，燃烧室组件通过立柱与支撑平台固定；所述推力架连接件固定在立柱前端上。

2.如权利要求1所述一种模块化可重复使用多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置，其特征在于：所述燃烧室壳体采用1Cr18Ni9Ti材料加工。

3.如权利要求1所述一种模块化可重复使用多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置，其特征在于：所述喷注筒端面与喷注器上底端面间采用紫铜垫片实现密封；所述喷注器上底与内腔内侧壁间采用氟橡胶密封圈实现轴向密封。

4.如权利要求1所述一种模块化可重复使用多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置，其特征在于：所述圆转方内喷管的收缩腔的收缩端端面与燃烧室内衬端面间设置有氟橡胶密封圈实现轴向密封；燃烧室内衬端面与燃烧室壳体上的凸缘间均采用紫铜垫片实现燃烧室内衬与燃烧室壳体间的轴向密封。

5.如权利要求1所述一种模块化可重复使用多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置，其特征在于：所述燃烧室内衬侧壁上开有两个压强测量通孔连通两个压强测量接口，连接两个压强传感器。

6.如权利要求1所述一种模块化可重复使用多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置，其特征在于：所述塞锥采用抛物线与三次曲线近似法进行型面设计，塞锥底部设计为向外圆弧形式，与塞锥壁面采用一体化加工方式。

7.如权利要求1所述一种模块化可重复使用多单元圆转方缩比塞式喷管试验装置，其特征在于：所述燃烧室内衬和圆转方内喷管采用钨渗铜材料加工。 

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