CN109458273A - 一种低附带损伤火箭发动机堵盖及其制造方法 - Google Patents

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张新航
申清芳
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    • F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
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Abstract

本发明提供了一种低附带损伤火箭发动机堵盖及其制造方法，将酚醛树脂与短切纤维混合，混合后酚醛树脂的质量百分比为30～50％；在155～175℃下对酚醛树脂与短切纤维进行固化成型，单位面积成型压力为300～500kgf/cm2，固化时间为3～5min/mm。本发明能够实现不同受力方向上承力强度的差异，既可满足较高的冷发射压强不破碎，又可满足固体火箭发动机正确的较低的点火压强下均匀破碎的性能要求，既可设计为收敛段堵盖也可设计为扩张段堵盖，符合GJB357‑87对发动机喷出物的最低安全性要求。

Description

一种低附带损伤火箭发动机堵盖及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种火箭发动机堵盖，属于固体火箭发动机点火系统结构件。
背景技术
喷管堵盖安装于固体火箭发动机收敛段或扩散段内型面，在火箭存储和日常勤务时用于密封固体火箭发动机，防止空气中的氧气和水蒸气对推进剂药柱的侵蚀。在火箭发动机点火时建立正确的点火压强，使推进剂药柱正常燃烧。
固体火箭发动机常采用的堵盖材料为金属、橡胶或热塑性塑料。金属材料堵盖爆破压强可设计性和一致性较好，但喷出物动能较高，可能对载具造成破坏，因此对于喷出物有最低安全性要求的固体火箭发动机不能采用金属材料堵盖。
橡胶堵盖爆破时为中心撕裂形式，无碎片喷出，对载具安全性较好，但受破坏形式限制，橡胶堵盖一般不安装在扩散段上，同时对于由燃气发生装置将导弹推出发射筒的冷发射形式，橡胶堵盖难以承受较高的燃气压力，因此在冷发射固体火箭发动上橡胶堵盖的应用受到限制。
热塑性塑料堵盖可通过适当的结构设计实现预期的爆破压强，并且既可安装于收敛段也可安装于扩散段，但因为其厚度较大，破碎时喷出物动能较大，某些情况下不能满足对于喷出物有最低安全性要求的固体火箭发动。
堵盖的结构设计和材料选择是实现固体火箭发动机正确点火的重要因素，但国内研究中对其重视程度不足，同时堵盖仅用于固体火箭发动机这种特殊的产品，难以在公开资料中查找到相关信息。行业标准中涉及的堵盖设计规范均针对金属堵盖设计。热塑性塑料堵盖的设计与试验仅见于某些公开论文，并且不涉及堵盖破片是否符合最低安全性要求。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种低附带损伤的固体火箭发动机堵盖，采用纤维增强的热固性树脂，通过对堵盖结构的设计实现预期的爆破压强和破片规格尺寸。本发明涉及的低附带损伤的固体火箭发动机堵盖通过结构设计可实现不同受力方向上承力强度的差异，既可满足较高的冷发射压强不破碎，又可满足固体火箭发动机正确的较低的点火压强下均匀破碎的性能要求，既可设计为收敛段堵盖也可设计为扩张段堵盖，符合GJB357-87对发动机喷出物的最低安全性要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种低附带损伤火箭发动机堵盖，材料包括酚醛树脂和短切纤维，所述的短切纤维采用无碱玻璃纤维或高硅氧玻璃纤维，纤维长度为6～15mm；所述的酚醛树脂采用氨酚醛树脂、钠酚醛树脂、钡酚醛树脂或镁酚醛树脂；所述的酚醛树脂与短切纤维混合后酚醛树脂的质量百分比为30～50％。
所述堵盖的高度其中，d为堵盖破碎区直径，n为堵盖设计安全系数，P为堵盖设计打开压强，a为堵盖半锥角，σ为堵盖粘接强度。
所述堵盖的破碎区厚度其中，k为修正系数，σb为堵盖材料抗拉强度。
所述堵盖的至少一侧预制有剪切槽，剪切槽宽度为2～5mm，剪切槽深度为堵盖破碎区厚度的65～90％。
所述堵盖朝向燃气来流方向的一侧为外凸的球冠状，背向燃气来流方向的一侧为内凹的椭球面或球冠面。
本发明还提供上述低附带损伤的固体火箭发动机堵盖的制造方法，包括以下步骤：将酚醛树脂与短切纤维混合，混合后酚醛树脂的质量百分比为30～50％；在155～175℃下对酚醛树脂与短切纤维进行固化成型，单位面积成型压力为300～500kgf/cm2，固化时间为3～5min/mm。
本发明的有益效果是：采用本发明提供的低附带损伤的堵盖爆破时破片尺寸可小于0.5克，在距发动机喷口九米处900平方厘米的聚丙烯板上打出的凹坑少于50个。采用本发明提供的低附带损伤的堵盖可安装在收敛段或扩张段上，安装于收敛段时，其破片对喉道不造成破坏。采用本发明提供的低附带损伤的堵盖爆破压强可在1MPa至5MPa范围内进行调节，堵盖爆破压强的波动范围可控制在±0.5MPa之内。采用本发明提供的低附带损伤的堵盖可实现堵盖两侧承受压强比大于2的不等强度设计，以同时实现承受较高的冷发射燃气压强和较低的点火压强的需求。采用本发明提供的低附带损伤的堵盖与喷管防热内衬具有良好的粘接性，采用常温固化或中温固化的环氧粘接剂粘接，并且粘接强度大于堵盖的设计爆破压强，在发动机点火时堵盖不发生脱粘破坏。采用本发明提供的低附带损伤的堵盖适合于大多数固体火箭发动机。
附图说明
图1是低附带损伤的变壁厚扩张段堵盖；
图2是低附带损伤的等壁厚预制剪切槽的扩张段堵盖；
图3是低附带损伤的等壁厚预制剪切槽的收敛段堵盖；
图4是低附带损伤的变壁厚不等强度扩张段堵盖。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明提供一种堵盖，用于对喷出物具有最低安全性要求的固体火箭发动喷管，在日常勤务时密封固体火箭发动机，并在发动机点火时建立正确的点火压强。
本发明提供的堵盖基于以下基本要求：堵盖满足发动机正常点火启动要求和密封要求，其环境适应性满足发动机工作和储运环境条件；堵盖材料在勤务条件下不出现腐蚀和老化，使其性能低于设计允许范围。
本发明提供的堵盖高度设计基于以下公式：
其中：
H：堵盖高度；
d：堵盖破碎区直径；
n：堵盖设计安全系数；
P：堵盖设计打开压强；
a：堵盖半锥角；
σ：堵盖粘接强度。
本发明提供的堵盖破碎区厚度设计基于以下公式：
其中：
t：破碎区厚度；
k：修正系数；
P：堵盖设计打开压强；
σb：材料抗拉强度。
本发明提供的堵盖基于以下基本材料：经短切的无碱玻璃纤维或高硅氧玻璃纤维，根据要求短切为6mm～15mm；酚醛树脂，可以是氨酚醛树脂、钠酚醛树脂、钡酚醛树脂、镁酚醛树脂。将酚醛树脂与短切纤维混合后经预固化得到预混料；预混料中基体树脂的含量在30％～50％之间。
本发明提供的堵盖材料经固化后，抗拉强度在9MPa～32MPa之间。材料密度在1.60g/cm3～1.75g/cm3之间。堵盖材料经固化后，具有良好的耐候性和耐酸性介质腐蚀性。
本发明提供的堵盖基于以下基本工艺过程：对预混料施加一定的温度和压力，固化温度范围为155℃～175℃，单位面积成型压力为300kgf/cm2～500kgf/cm2为保证在料坯成型过程中基体树脂充分固化，固化时间为3min/mm～5min/mm。
本发明提供的堵盖基于以下基本设计思想：通过控制堵盖破碎区域面积、破片形状和破片质量来达到破片被固体火箭发动机燃气加速喷出喷口后对载具的低附带损伤，特别对铝质蒙皮或复合材料蒙皮非承载结构飞行器载具发射时火箭喷出物对结构的损伤。
本发明提供的堵盖设计结构一为通过经严格控制厚度的破碎区域来达到设定爆破压强的目的。堵盖增强材料为无碱玻璃纤维，短切长度为6mm，基体树脂为氨酚醛树脂，基体树脂含量为42％，固化温度为170℃，单位面积成型压力为500kgf/cm2，控制的爆破区厚度为0.5mm～0.8mm，爆破型式为中心爆破方式，破片重量不超过0.5克。
本发明提供的堵盖设计结构二为通过预制的剪切槽来控制爆破压强和破片尺寸。剪切槽宽度为2mm～5mm，剪切槽深度为整体厚度的65％～90％。堵盖增强材料为高硅氧玻璃纤维，短切长度为15mm，基体树脂为钡酚醛树脂，基体树脂含量为40％，固化温度为170℃，单位面积成型压力为300kgf/cm2。
本发明提供的堵盖设计结构三为不等强度结构，对承受较高压力面为外凸面，为球冠状。对承受较低压力面内凹面，为椭球面与球冠面组合面。内凹面在燃气冲击下在较低的压强下破碎，通过设计椭球面与球冠面的组合形式来控制两侧承力压强差，并可通过在外凸面预制剪切槽加强爆破压强控制并控制破片质量。堵盖增强材料为无碱玻璃纤维，短切长度为15mm，基体树脂为镁酚醛树脂，基体树脂含量为40％，固化温度为160℃，单位面积成型压力为400kgf/cm2。
实施实例1
低附带损伤的变壁厚扩张段堵盖一侧为平面，另一侧为椭球与平面相交形成的曲面，堵盖最小厚度0.5mm±0.05mm，堵盖爆破压强1.7MPa～2.2MPa，破片重量小于0.5克。
实施实例2
低附带损伤的等壁厚预制剪切槽的扩张段堵盖两侧均为平面，厚度1.5mm，背向燃气方向预制六条放射形剪切槽，剪切槽宽度2mm，深度1mm，堵盖爆破压强2.0MPa～2.7MPa，发动机点火时破片飞出距离小于4米。
实施实例3
低附带损伤的等壁厚预制剪切槽的收敛段堵盖两侧均为平面，厚度1.5mm，面向燃气方向预制六条放射形剪切槽和两条环形剪切槽，剪切槽宽度2mm，深度1mm，堵盖爆破压强1.0MPa～1.8MPa，发动机点火时破片飞出距离小于4米。
实施实例4
低附带损伤的变壁厚不等强度扩张段堵盖一侧为球面，另一侧为椭球面，最小厚度0.8mm，最大厚度2.2mm，堵盖外凸面承受压强5.0MPa～6.5MPa，内凹面爆破压强2.0MPa～2.8MPa，发动机点火时破片飞出距离小于6米。

Claims (6)

1.一种低附带损伤火箭发动机堵盖，其特征在于：材料包括酚醛树脂和短切纤维，所述的短切纤维采用无碱玻璃纤维或高硅氧玻璃纤维，纤维长度为6～15mm；所述的酚醛树脂采用氨酚醛树脂、钠酚醛树脂、钡酚醛树脂或镁酚醛树脂；所述的酚醛树脂与短切纤维混合后酚醛树脂的质量百分比为30～50％。
2.根据权利要求1所述的低附带损伤火箭发动机堵盖，其特征在于：所述堵盖的高度其中，d为堵盖破碎区直径，n为堵盖设计安全系数，P为堵盖设计打开压强，a为堵盖半锥角，σ为堵盖粘接强度。
3.根据权利要求1所述的低附带损伤火箭发动机堵盖，其特征在于：所述堵盖的破碎区厚度其中，k为修正系数，σb为堵盖材料抗拉强度。
4.根据权利要求1所述的低附带损伤火箭发动机堵盖，其特征在于：所述堵盖的至少一侧预制有剪切槽，剪切槽宽度为2～5mm，剪切槽深度为堵盖破碎区厚度的65～90％。
5.根据权利要求1所述的低附带损伤火箭发动机堵盖，其特征在于：所述堵盖朝向燃气来流方向的一侧为外凸的球冠状，背向燃气来流方向的一侧为内凹的椭球面或球冠面。
6.一种权利要求1所述低附带损伤火箭发动机堵盖的制造方法，其特征在于包括下述步骤：将酚醛树脂与短切纤维混合，混合后酚醛树脂的质量百分比为30～50％；在155～175℃下对酚醛树脂与短切纤维进行固化成型，单位面积成型压力为300～500kgf/cm2，固化时间为3～5min/mm。
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