CN105179109B - 一种采用气吹原理的喷管延伸展开机构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种采用气吹原理的喷管延伸展开机构，其在推力室、固定段喷管上，沿周向均匀布置3根导轨；3根导轨安装时必须保证彼此平行，且它们整体的中心线要与发动机的轴线重合；上述3根导轨上端分别通过3根导轨支撑杆固定在推力室上，在固定段喷管上安装一个圆箍，在圆箍上凸起3个接头，导轨下端通过该接头和圆箍固定在固定段喷管上；在延伸段喷管上安装3个连接件，每个连接件上端安装有滑块，滑块可在导轨内自由滑动；在延伸段喷管大端出口处安装一个柔性的牵引伞；发动机起动前，通过向推力室内喷入高压气体，气体作用在牵引伞上，产生向后的拉力将延伸段喷管展开。本发明具有结构质量小、简单可靠的优点。

Description

一种采用气吹原理的喷管延伸展开机构

技术领域

本发明涉及一种采用气吹原理的喷管延伸展开机构，其为火箭发动机大面积比可延伸喷管使用的延伸展开机构，可以应用在航天推进领域。

背景技术

为提高火箭的运载能力，需要提高火箭上面级发动机真空比冲等性能指标。增大上面级发动机的喷管面积比是提高上面级发动机真空比冲的最有效方法。然而喷管面积比的增大会带来喷发动机纵向长度增加、推重比降低、安装空间增大、火箭级间段长度增大等一系列问题。采用可延伸喷管技术则可以避免这些问题。可延伸喷管在发动机非工作时处于收起状态，有效缩短了发动机纵向长度；在发动机起动前，通过延伸展开机构展开喷管并锁紧，达到增加发动机喷管面积比的目的。

延伸机构的原理和方案有多种。其中，美国RL10B-2发动机采用了由电机、齿条皮带、滚珠丝杆组成的延伸机构，“和平卫士MX”洲际导弹第二、三级固体发动机采用了燃气作动筒来展开喷管；欧空局研制的Vinci发动机采用了由电机、刚性传动杆、滚珠丝杆组成的延伸机构；日本“艾普西隆”固体运载火箭第二、三级固体发动机使用了内置弹簧、导向板组成的新型延伸展开机构。

以上这些延伸机构方案，各有其优缺点。其中，电机—丝杆式延伸机构，具有展开平稳、冲击小的优点，缺点是结构质量较大(≈25kg)，且在发动机工作后成为死重。燃气作动筒式延伸机构，展开迅速，简单可靠，缺点是展开冲击较大，对喷管结构强度要求较高。弹簧—导向板延伸机构优点是可以在发动机工作后抛掉，剩余死重较小，缺点是对内置弹簧的安装要求较高。

发明内容

本发明针对现有的延伸机构方案，提出了一种采用气吹原理的喷管延伸展开机构，其简单可靠，大幅降低结构质量。

实现本发明目的的技术方案：一种采用气吹原理的喷管延伸展开机构，所述的喷管包括固定段喷管和延伸段喷管，其中固定段喷管小端固定在推力室端部，延伸段喷管在发动机工作前位于固定段喷管外围，发动机点火后延伸至固定段喷管大端并且通过多个锁片锁紧；

该延伸展开机构包括在推力室、固定段喷管上，沿周向均匀布置3根导轨；3根导轨安装时必须保证彼此平行，且它们整体的中心线要与发动机的轴线重合；上述3根导轨上端分别通过3根导轨支撑杆固定在推力室上，在固定段喷管上安装一个圆箍，在圆箍上凸起3个接头，导轨下端通过该接头和圆箍固定在固定段喷管上；在延伸段喷管上安装3个连接件，每个连接件上端安装有滑块，滑块可在导轨内自由滑动；在延伸段喷管大端出口处安装一个柔性的牵引伞；所述的牵引伞使用一个由两个半圆环组成的卡箍安装到延伸段喷管上，卡箍的两个半环之间使用爆炸螺栓连接成一个整环；发动机起动前，通过向推力室内喷入高压气体，气体作用在牵引伞上，产生向后的拉力将延伸段喷管展开。

如上所述的一种采用气吹原理的喷管延伸展开机构，其在3根导轨中的2根导轨的上端和下端分别安装了限位/释放器和到位触发开关，限位/释放器和到位触发开关分别以信号线与控制器相连；在滑块上设限位孔，以供限位/释放器“抓住”；在发动机非工作状态时，限位/释放器通过限位爪“抓住”滑块，限制延伸喷管的运动。

如上所述的一种采用气吹原理的喷管延伸展开机构，其所述的推力室与电磁阀连接，电磁阀与控制器相连，从而由电磁阀控制向推力室内喷气，气源是发动机自带的高压吹除/控制气。

如上所述的一种采用气吹原理的喷管延伸展开机构，其控制器输入端为运载火箭上的控制信号和电源，输出端连接到限位/释放器、到位触发开关、电磁阀和爆炸螺栓；当运载火箭级间分离，准备起动发动机时，箭上的控制计算机给控制器“展开”命令；控制器立即向限位/释放器输出“释放”信号，释放延伸段喷管，准备展开；然后，控制器给电磁阀通电，打开气路，向推力室内喷入气体，气体作用在牵引伞上，产生向后的拉力将延伸段喷管展开；当延伸段喷管越过锁片时，锁片弹起锁紧延伸段喷管，限制延伸段喷管往回运动；此时，滑块触发到位开关，向控制器输出“展开到位”信号；控制器收到信号后，起爆爆炸螺栓，卡箍和牵引伞被抛离，然后关闭电磁阀停止喷气，展开过程结束。

如上所述的一种采用气吹原理的喷管延伸展开机构，其所述的导轨使用的材料为高强度铝合金；所述的导轨支撑杆使用的材料为碳纤维复合材料。

本发明的效果在于：

本发明提出了一种采用气吹原理的喷管延伸展开机构，采用牵引伞在发动机内部喷气的作用下展开喷管，具有结构质量小、简单可靠的优点。

本发明的气吹原理延伸机构方案，利用发动机自带的高压气体展开延伸段喷管，无需电机、传动杆、丝杆等机械零件，具有结构简单、可靠性高、质量轻等优点。经详细设计零件后测算，其系统质量比电机—丝杆的延伸机构减小了40％左右。

附图说明

图1为本发明所述的一种采用气吹原理的喷管延伸展开机构示意图。

图2为本发明的延伸机构在收起的状态。

图3为本发明的延伸机构在展开过程中的状态。

图4为本发明的延伸机构在展开后的状态。

图中：1.控制器；2.推力室；3.电磁阀；4.延伸段喷管；5.固定段喷管；6.锁片；7.伞绳；8.牵引伞；9.到位触发开关；10.爆炸螺栓；11.导轨；12.导轨支撑杆；13.滑块；14.限位/释放器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种采用气吹原理的喷管延伸展开机构作进一步描述。

如图1所示，本发明所述的一种采用气吹原理的喷管延伸展开机构，其包括固定段喷管5和延伸段喷管4，其中固定段喷管5小端固定在推力室2端部，延伸段喷管4在发动机工作前位于固定段喷管5外围，发动机点火后延伸至固定段喷管5大端并且通过多个锁片6锁紧。

该延伸展开机构包括在推力室2、固定段喷管5上，沿周向均匀布置3根导轨11；3根导轨11安装时必须保证彼此平行，且它们整体的中心线要与发动机的轴线重合。上述3根导轨11上端分别通过3根导轨支撑杆12固定在推力室2上，在固定段喷管5上安装一个圆箍，在圆箍上凸起3个接头，导轨11下端通过该接头和圆箍固定在固定段喷管5上。

在延伸段喷管4上安装3个连接件，每个连接件上端安装有滑块13，滑块13可在导轨11内自由滑动。

在延伸段喷管4大端出口处安装一个柔性的牵引伞8；所述的牵引伞8使用一个由两个半圆环组成的卡箍安装到延伸段喷管4上，卡箍的两个半环之间使用爆炸螺栓10连接成一个整环；发动机起动前，通过向推力室2内喷入高压气体，气体作用在牵引伞8上，产生向后的拉力将延伸段喷管4展开。

在3根导轨11中的2根导轨11的上端和下端分别安装了限位/释放器14和到位触发开关9，限位/释放器14和到位触发开关9分别以信号线与控制器1相连。

在滑块13上设限位孔，以供限位/释放器14“抓住”；在发动机非工作状态时，限位/释放器14通过限位爪“抓住”滑块13，限制延伸喷管4的运动。

推力室2与电磁阀3连接，电磁阀3与控制器1相连，从而由电磁阀3控制向推力室内喷气，气源是发动机自带的高压吹除/控制气。

本发明所述的采用气吹原理的喷管延伸展开机构展开过程如图2至图4所示：

控制器1输入端为运载火箭上的控制信号和电源，输出端连接到限位/释放器14、到位触发开关9、电磁阀3和爆炸螺栓10。

当运载火箭级间分离，准备起动发动机时，箭上的控制计算机给控制器1“展开”命令；控制器1立即向限位/释放器14输出“释放”信号，释放延伸段喷管4，准备展开；然后，控制器1给电磁阀3通电，打开气路，向推力室2内喷入气体，气体作用在牵引伞8上，产生向后的拉力将延伸段喷管4展开；

当延伸段喷管5越过锁片6时，锁片6弹起锁紧延伸段喷管5，限制延伸段喷管5往回运动；此时，滑块13触发到位开关9，向控制器1输出“展开到位”信号；控制器1收到信号后，起爆爆炸螺栓10，卡箍和牵引伞8被抛离，然后关闭电磁阀2停止喷气，展开过程结束。

上述导轨11使用的材料为高强度铝合金；导轨支撑杆12使用的材料为碳纤维复合材料。

本发明在延伸段喷管出口处安装一个柔性的牵引伞。发动机起动前，通过向推力室内喷入高压气体，气体作用在牵引伞上，产生向后的拉力将延伸段喷管展开。通过控制器统一控制延伸机构的限位、释放、通气、到位反馈、抛弃牵引伞等动作。限位/释放器的作用是在发动机非工作时将延伸段喷管固定在收起位置，并在接到控制器信号后释放延伸段喷管。控制向推力室内喷气的是一个常闭电磁阀，气源是发动机自带的高压吹除/控制气(氦气或氮气)。电磁阀的开关由控制器控制。在推力室和固定管喷管上一周均匀布置3根导轨，延伸段喷管通过滑块与导轨相连，滑块可沿导轨上下滑动。在固定管喷管末端圆周上，安装有几十个锁片，同时设计有限制延伸段喷管继续向后运动的凸沿。两者配合，可以限制延伸段喷管的前后运动，从而实现锁紧。在导轨末端，安装一个到位触发开关，其作用是当延伸喷管展开到位后，给控制器输入“展开到位”的信号。牵引伞使用一个由两个半圆环组成的卡箍安装到延伸段喷管上，卡箍的两个半环之间使用爆炸螺栓连接成一个整环。爆炸螺栓的作用是展开完成后将卡箍分开，实现牵引伞与延伸喷管的脱离。

在本发明中，注意三根导轨11的安装平行度。三根导轨11安装时必须保证彼此平行，且它们整体的中心线要与发动机的轴线重合，这样延伸喷管5上下滑动时才会比较顺畅，展开到位时能够与固定段喷管4在周向上的间隙保持均匀一致。

Claims (5)

1.一种采用气吹原理的喷管延伸展开机构，所述的喷管包括固定段喷管(5)和延伸段喷管(4)，其中固定段喷管(5)小端固定在推力室(2)端部，延伸段喷管(4)在发动机工作前位于固定段喷管(5)外围，发动机点火后延伸至固定段喷管(5)大端并且通过多个锁片(6)锁紧；该延伸展开机构包括在推力室(2)、固定段喷管(5)上，沿周向均匀布置3根导轨(11)；3根导轨(11)安装时必须保证彼此平行，且它们整体的中心线要与发动机的轴线重合；在固定段喷管(5)上安装一个圆箍，在圆箍上凸起3个接头，导轨(11)下端通过该接头和圆箍固定在固定段喷管(5)上；其特征在于：

上述3根导轨(11)上端分别通过3根导轨支撑杆(12)固定在推力室(2)上；

在延伸段喷管(4)上安装3个连接件，每个连接件上端安装有滑块(13)，滑块(13)可在导轨(11)内自由滑动；

在延伸段喷管(4)大端出口处安装一个柔性的牵引伞(8)；所述的牵引伞(8)使用一个由两个半圆环组成的卡箍安装到延伸段喷管(4)上，卡箍的两个半环之间使用爆炸螺栓(10)连接成一个整环；发动机起动前，通过向推力室(2)内喷入高压气体，气体作用在牵引伞(8)上，产生向后的拉力将延伸段喷管(4)展开。

2.根据权利要求1所述的一种采用气吹原理的喷管延伸展开机构，其特征在于：在3根导轨(11)中的2根导轨(11)的上端和下端分别安装了限位/释放器(14)和到位触发开关(9)，限位/释放器(14)和到位触发开关(9)分别以信号线与控制器(1)相连；

在滑块(13)上设限位孔，以供限位/释放器(14)“抓住”；在发动机非工作状态时，限位/释放器(14)通过限位爪“抓住”滑块(13)，限制延 伸喷管(4)的运动。

3.根据权利要求1所述的一种采用气吹原理的喷管延伸展开机构，其特征在于：所述的推力室(2)与电磁阀(3)连接，电磁阀(3)与控制器(1)相连，从而由电磁阀(3)控制向推力室内喷气，气源是发动机自带的高压吹除/控制气。

4.根据权利要求1所述的一种采用气吹原理的喷管延伸展开机构，其特征在于：

控制器(1)输入端为运载火箭上的控制信号和电源，输出端连接到限位/释放器(14)、到位触发开关(9)、电磁阀(3)和爆炸螺栓(10)；

当运载火箭级间分离，准备起动发动机时，箭上的控制计算机给控制器(1)“展开”命令；控制器(1)立即向限位/释放器(14)输出“释放”信号，释放延伸段喷管(4)，准备展开；然后，控制器(1)给电磁阀(3)通电，打开气路，向推力室(2)内喷入气体，气体作用在牵引伞(8)上，产生向后的拉力将延伸段喷管(4)展开；

当延伸段喷管(5)越过锁片(6)时，锁片(6)弹起锁紧延伸段喷管(5)，限制延伸段喷管(5)往回运动；此时，滑块(13)触发到位开关(9)，向控制器(1)输出“展开到位”信号；控制器(1)收到信号后，起爆爆炸螺栓(10)，卡箍和牵引伞(8)被抛离，然后关闭电磁阀(3)停止喷气，展开过程结束。

5.根据权利要求1所述的一种采用气吹原理的喷管延伸展开机构，其特征在于：所述的导轨(11)使用的材料为高强度铝合金；所述的导轨支撑杆(12)使用的材料为碳纤维复合材料。