CN106979095A - 一种整体成型的一体化喷管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种整体成型的一体化喷管及其制造方法，包括喉衬、耐烧蚀层、隔热层、壳体承力层及固定于喉衬喉颈处的堵盖，所述喉衬外型面作为起始层面，耐烧蚀层、隔热层及壳体承力层依次由内向外整体成型为一体化喷管，所述的喉衬可以是整体结构的回转体，也可以是分块结构组合而成的回转体，所述喉衬为碳/碳复合材料喉衬。与现有技术相比，避免了传统喷管的复杂的零部件装配工艺，减少了喷管内部间隙，与传统的喉衬外壁轮廓为一段折线相比，喉衬外壁轮廓改为两段折线，使得喉衬的热应力水平大幅降低，利用上下游的折线角度，使作用在喉衬上、下游表面的合力相互抵消，降低了喉衬对内烧蚀层表面的作用力，提高了喷管的使用可靠性。

Description

一种整体成型的一体化喷管及其制造方法
技术领域
本发明属于固体火箭发动机领域，尤其涉及一种整体成型的一体化喷管及其制造方法。
背景技术
喷管是固体火箭发动机的关键部件。喷管一般包括喉衬、耐烧蚀层、隔热层、壳体承力层及固定于喉衬喉颈处的堵盖，传统喷管的耐烧蚀层、隔热层、壳体承力层均分别由许多零部件组装成部件，再由部件组装成型喷管，具体地由喉衬(碳/碳复合材料)、背衬(即耐烧蚀层，高硅氧/酚醛模压件)、收敛段绝热层(即隔热层，碳酚醛/高硅氧酚醛模压件)、扩散段绝热层(即隔热层，碳布酚醛/高硅氧布酚醛缠绕件)、喷管壳体(即壳体承力层，30CrMnSiA金属件)组装成型，零部件多，成型时间长，且喷管各零部件间存在内部间隙，导致结构可靠性易出问题。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种整体成型的一体化喷管及其制造方法。
为实现上述目的，本发明采用的一种整体成型的一体化喷管，包括喉衬、耐烧蚀层、隔热层、壳体承力层及固定于喉衬喉颈处的堵盖，所述喉衬外型面作为起始层面，耐烧蚀层、隔热层及壳体承力层依次由内向外整体成型为一体化喷管。
进一步地，所述的喉衬可以是整体结构的回转体，也可以是分块结构组合而成的回转体，所述喉衬为碳/碳复合材料喉衬。
优选地，所述喉衬、耐烧蚀层、隔热层、壳体承力层构成了所述一体化喷管的喷管前段、喷管后段两部分，所述耐烧蚀层包括内烧蚀层、外烧蚀层、扩张段，所述隔热层包括内隔热层、外隔热层、扩张隔热层，壳体承力层包括壳体前段和壳体后段，所述喷管前段包括喉衬及依次由内向外缠绕成型内烧蚀层、内隔热层、壳体前段、外烧蚀层、外隔热层，喷管后段包括依次由内向外缠绕成型扩张段、扩张隔热层、壳体后段(扩张承力层)，喷管前段与喷管后段密封连接成为潜入式喷管。
优选地，所述喉衬的外壁轮廓为多段折线组成。
进一步地，所述喉衬的外壁轮廓为两段折线组成，上游折线相对于喷管轴线的夹角角度选取范围为5°～10°，下游折线相对于喷管轴线的夹角角度选取范围为1°～8°。
如前所述的一种整体成型的一体化喷管的制造方法，所述方法包括如下步骤，各步骤按顺序进行：
步骤1、模具安装，喉衬安装于模具上，模具的外型面与喷管的内型面相匹配；
步骤2、缠绕耐烧蚀层，材料用碳布/酚醛，采用铺放+缠绕向结合的方式进行，缠绕的布带张力选用范围为100N/mm～400N/mm，固化温度为80℃～200℃，固化压力不低于2MPa，时间为1h～72h；
步骤3、缠绕隔热层，材料用高硅氧/酚醛，与碳布/酚醛的缠绕工艺一致，可采用铺放+缠绕向结合的方式进行，缠绕的布带张力选用范围为100N/mm～400N/mm，固化温度为80℃～200℃，固化压力不低于2MPa，时间为1h～72h；
步骤4、缠绕壳体承力层，承力层的厚度根据使用载荷确定，材料为T700碳纤维，采用铺放的工艺制备而成，张力选用范围为100N/mm～400N/mm，固化温度为80℃～200℃，固化压力不低于2MPa，时间为1h～72h；。
优选地，所述步骤1和步骤2之间还包括：喉衬表面铺设软质弹性材料0.1mm～2mm。
优选地，所述方法包括如下按顺序执行的步骤：
步骤1、喷管前段的制作，包括如下顺序执行的步骤，
步骤11、模具安装，喉衬安装于模具上，模具的外型面与喷管的内型面相匹配；
步骤12、缠绕耐内烧蚀层，材料用碳布/酚醛，在喉衬外壁缠绕碳布/酚醛内烧蚀层，由于为异形状态，可采用铺放+缠绕向结合的方式进行，缠绕的布带张力选用范围为100N/mm～400N/mm，固化温度为80℃～200℃，固化压力不低于2MPa，时间为1h～72h；
步骤13、缠绕内隔热层，材料用高硅氧/酚醛，待内烧蚀层制备完毕后，缠绕高硅氧/酚醛内隔热层，与碳布/酚醛的缠绕工艺一致，可采用铺放+缠绕向结合的方式进行，缠绕的布带张力选用范围为100N/mm～400N/mm，固化温度为80℃～200℃，固化压力不低于2MPa，时间为1h～72h；
步骤14、缠绕壳体前段，壳体前段的厚度根据使用载荷确定，材料为T700碳纤维，采用铺放的工艺制备而成，张力选用范围为100N/mm～400N/mm，固化温度为80℃～200℃，固化压力不低于2MPa，时间为1h～72h；
步骤15、依次缠绕耐外烧蚀层、外隔热层，分别与内烧蚀层、内隔热层的工艺一致；
步骤2、喷管后段的制作，模具制作安装，模具的外型面与扩张段的内型面相匹配，依次进行扩张段、扩张隔热层、壳体后段的缠绕制作，依次采用碳布/酚醛缠绕制备而成，缠绕工艺可由斜缠、平缠及铺放等方式单独成型，也可组合而成，与内烧蚀层的工艺一致，缠绕的布带张力选用范围为100N/mm～400N/mm，固化温度为80℃～200℃，固化压力不低于2MPa，时间为1h～72h；
步骤3、喷管前段与喷管后段密封连接。
优选地，所述步骤11和步骤12之间还包括：喉衬表面铺设软质弹性材料0.1mm～2mm。
本发明的一种整体成型的一体化喷管及其制造方法，与现有技术相比，将喉衬外型面作为起始层面，耐烧蚀层、隔热层及壳体承力层依次由内向外整体成型为一体化喷管，具体地，一体化喷管分成喷管前段、喷管后段两部分，这两部分各自整体缠绕成型后密封连接成为潜入式喷管，避免了传统喷管的复杂的零部件装配工艺，减少了喷管内部间隙，与传统的喉衬外壁轮廓为一段折线相比，喉衬外壁轮廓改为两段折线，使得喉衬的热应力水平大幅降低，利用上下游的折线角度，使作用在喉衬上、下游表面的合力相互抵消，降低了喉衬对内烧蚀层表面的作用力，提高了喷管的使用可靠性。
附图说明
图1是本发明的实施例的一种整体成型的一体化喷管轴向剖面结构示意图；
图2是本发明的喷管前段轴向剖面结构示意图；
图3是本发明的喷管后段轴向剖面结构示意图；
图4是本发明的喉衬轴向剖面结构示意图
其中，1-喷管前段、11-喉衬、111-上游折线、112-下游折线、2-喷管后段、3-内烧蚀层、4-外烧蚀层、5-扩张段、6-内隔热层、7-外隔热层、8-扩张隔热层、9-壳体前段、10-壳体后段、12-O型圈。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述。
实施例一：
一种一种整体成型的一体化喷管，如图1所示，喉衬、耐烧蚀层、隔热层、壳体承力层及固定于喉衬喉颈处的堵盖，所述喉衬外型面作为起始层面，耐烧蚀层、隔热层及壳体承力层依次由内向外整体成型为一体化喷管。本实施例中，所述喉衬、耐烧蚀层、隔热层、壳体承力层构成了所述一体化喷管的喷管前段、喷管后段两部分，所述耐烧蚀层包括内烧蚀层、外烧蚀层、扩张段，所述隔热层包括内隔热层、外隔热层、扩张隔热层，壳体承力层包括壳体前段和壳体后段；如图2所示，所述喷管前段包括喉衬及依次由内向外缠绕成型内烧蚀层、内隔热层、壳体前段、外烧蚀层、外隔热层；如图3所示，喷管后段包括依次由内向外缠绕成型扩张段、扩张隔热层、壳体后段(扩张承力层)，喷管前段与喷管后段密封连接，用法兰端面设置O型圈的方式密封连接，成为潜入式喷管。
如图4所示，所述喉衬的外部轮廓为两段折线组成，上游折线相对于喷管轴线的夹角角度选取范围为5°～10°，下游折线相对于喷管轴线的夹角角度选取范围为1°～8°。本实施例中，上游折线相对于喷管轴线的夹角角度选取6°，下游折线相对于喷管轴线的夹角角度选取为2°，与传统的喉衬外壁轮廓为一段折线(即一条直线)相比，喉衬外壁轮廓改为两段折线，使得喉衬的热应力水平大幅降低，降低约20％，改善喉衬的受力，利用上下游的折线角度，使作用在喉衬上、下游表面的合力相互抵消，降低了喉衬对内烧蚀层表面的作用力，通过PATRAN-NASTRAN仿真软件分析，作用力降低约10％～20％。
实施例二：
对应于前述实施例一的一种整体成型的一体化喷管的制造方法，包括如下按顺序执行的步骤：
步骤1、喷管前段的制作，顺序包括如下步骤，
步骤11、模具安装，喉衬安装于模具上，模具的外型面与喷管的内型面相匹配，贴合；
步骤12、缠绕耐内烧蚀层，材料用碳布/酚醛，在喉衬外壁缠绕碳布/酚醛内烧蚀层，由于为异形状态，可采用铺放+缠绕向结合的方式进行，缠绕的布带张力选用范围为100N/mm～400N/mm，本实施例中为200N/mm，固化温度为80℃～200℃，本实施例中为120℃，固化压力不低于2MPa，本实施例中为2.5MPa，时间为1h～72h，本实施例中为36h；
步骤13、缠绕内隔热层，材料用高硅氧/酚醛，待内烧蚀层制备完毕后，缠绕高硅氧/酚醛内隔热层，与碳布/酚醛的缠绕工艺一致，可采用铺放+缠绕向结合的方式进行，缠绕的布带张力选用范围为100N/mm～400N/mm，本实施例中为200N/mm，固化温度为80℃～200℃，本实施例中为120℃，固化压力不低于2MPa，本实施例中为2.5MPa，时间为1h～72h，本实施例中为36h；
步骤14、缠绕壳体前段，壳体前段的厚度根据使用载荷确定，材料为T700碳纤维，采用铺放的工艺制备而成，缠绕的布带张力选用范围为100N/mm～400N/mm，本实施例中为200N/mm，固化温度为80℃～200℃，本实施例中为120℃，固化压力不低于2MPa，本实施例中为2.5MPa，时间为1h～72h，本实施例中为36h；
步骤15、依次缠绕耐外烧蚀层、外隔热层，分别与内烧蚀层、内隔热层的工艺一致；
步骤2、喷管后段的制作，模具制作安装，模具的外型面与扩张段的内型面相匹配，依次进行扩张段、扩张隔热层、壳体后段的缠绕制作，依次采用碳布/酚醛缠绕制备而成，缠绕工艺可由斜缠、平缠及铺放等方式单独成型，也可组合而成，与内烧蚀层的工艺一致，缠绕的布带张力选用范围为100N/mm～400N/mm，本实施例中为200N/mm，固化温度为80℃～200℃，本实施例中为120℃，固化压力不低于2MPa，本实施例中为2.5MPa，时间为1h～72h，本实施例中为36h；步骤3、喷管前段与喷管后段密封连接，本实施例中，用法兰端面设置双O型圈的方式密封连接，成为潜入式喷管。
本实施例中，在所述步骤11和步骤12之间还包括：喉衬表面铺设软质弹性材料，三元乙丙橡胶0.1mm～2mm，本实施例中取1mm，为缓解喷管工作的热应力。

Claims (9)

1.一种整体成型的一体化喷管，其特征在于包括喉衬、耐烧蚀层、隔热层、壳体承力层及固定于喉衬喉颈处的堵盖，所述喉衬外型面作为起始层面，耐烧蚀层、隔热层及壳体承力层依次由内向外整体成型为一体化喷管。
2.根据权利要求1所述的一体化喷管，其特征在于所述的喉衬可以是整体结构的回转体，也可以是分块结构组合而成的回转体，所述喉衬为碳/碳复合材料喉衬。
3.根据权利要求2所述的一体化喷管，其特征在于所述喉衬、耐烧蚀层、隔热层、壳体承力层构成了所述一体化喷管的喷管前段、喷管后段两部分，所述耐烧蚀层包括内烧蚀层、外烧蚀层、扩张段，所述隔热层包括内隔热层、外隔热层、扩张隔热层，壳体承力层包括壳体前段和壳体后段，所述喷管前段包括喉衬及依次由内向外缠绕成型内烧蚀层、内隔热层、壳体前段、外烧蚀层、外隔热层，喷管后段包括依次由内向外缠绕成型扩张段、扩张隔热层、壳体后段(扩张承力层)，喷管前段与喷管后段密封连接成为潜入式喷管。
4.根据权利要求3所述的一体化喷管，其特征在于所述喉衬的外壁轮廓为多段折线组成。
5.根据权利要求4所述的一体化喷管，其特征在于所述喉衬的外壁轮廓为两段折线组成，上游折线相对于喷管轴线的夹角角度选取范围为5°～10°，下游折线相对于喷管轴线的夹角角度选取范围为1°～8°。
6.如根据权利要求1或2所述的一体化喷管的制造方法，其特征在于所述方法包括如下步骤，各步骤按顺序进行：
步骤1、模具安装，喉衬安装于模具上，模具的外型面与喷管的内型面相匹配；
步骤2、缠绕耐烧蚀层，材料用碳布/酚醛，采用铺放+缠绕向结合的方式进行，缠绕的布带张力选用范围为100N/mm～400N/mm，固化温度为80℃～200℃，固化压力不低于2MPa，时间为1h～72h；
步骤3、缠绕隔热层，材料用高硅氧/酚醛，与碳布/酚醛的缠绕工艺一致，可采用铺放+缠绕向结合的方式进行，缠绕的布带张力选用范围为100N/mm～400N/mm，固化温度为80℃～200℃，固化压力不低于2MPa，时间为1h～72h；
步骤4、缠绕壳体承力层，承力层的厚度根据使用载荷确定，材料为T700碳纤维，采用铺放的工艺制备而成，张力选用范围为100N/mm～400N/mm，固化温度为80℃～200℃，固化压力不低于2MPa，时间为1h～72h。
7.如根据权利要求6所述的一体化喷管的制造方法，其特征在于所述步骤1和步骤2之间还包括：喉衬表面铺设软质弹性材料0.1mm～2mm。
8.如根据权利要求3或4或5所述的一体化喷管的制造方法，其特征在于所述方法包括如下按顺序执行的步骤：
步骤1、喷管前段的制作，包括如下如下顺序执行的步骤，
步骤11、模具安装，喉衬安装于模具上，模具的外型面与喷管的内型面相匹配；
步骤12、缠绕耐内烧蚀层，材料用碳布/酚醛，在喉衬外壁缠绕碳布/酚醛内烧蚀层，由于为异形状态，可采用铺放+缠绕向结合的方式进行，缠绕的布带张力选用范围为100N/mm～400N/mm，固化温度为80℃～200℃，固化压力不低于2MPa，时间为1h～72h；
步骤13、缠绕内隔热层，材料用高硅氧/酚醛，待内烧蚀层制备完毕后，缠绕高硅氧/酚醛内隔热层，与碳布/酚醛的缠绕工艺一致，可采用铺放+缠绕向结合的方式进行，缠绕的布带张力选用范围为100N/mm～400N/mm，固化温度为80℃～200℃，固化压力不低于2MPa，时间为1h～72h；
步骤14、缠绕壳体前段，壳体前段的厚度根据使用载荷确定，材料为T700碳纤维，采用铺放的工艺制备而成，张力选用范围为100N/mm～400N/mm，固化温度为80℃～200℃，固化压力不低于2MPa，时间为1h～72h；。
步骤15、依次缠绕耐外烧蚀层、外隔热层，分别与内烧蚀层、内隔热层的工艺一致；
步骤2、喷管后段的制作，模具制作安装，模具的外型面与扩张段的内型面相匹配，依次进行扩张段、扩张隔热层、壳体后段的缠绕制作，依次采用碳布/酚醛缠绕制备而成，缠绕工艺可由斜缠、平缠及铺放等方式单独成型，也可组合而成，与内烧蚀层的工艺一致，缠绕的布带张力选用范围为100N/mm～400N/mm，固化温度为80℃～200℃，固化压力不低于2MPa，时间为1h～72h；
步骤3、喷管前段与喷管后段密封连接。
9.如根据权利要求8所述的一体化喷管的制造方法，其特征在于所述步骤11和步骤12之间还包括：喉衬表面铺设软质弹性材料0.1mm～2mm。
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