CN109736975B - 一种可降低扩张段外壁温的喷管及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可降低扩张段外壁温的喷管及其设计方法，其中该喷管的扩张段主要由扩张段壳体、扩张段绝热内层、扩张段绝热外层和挡环组成；所述扩张段绝热内层外锥面上加工有空气槽，所述挡环粘接于所述空气槽外形成一定厚度的空气层，所述扩张段绝热外层包覆于扩张段绝热内层和挡环外形成扩张段绝热层组件，所述扩张段壳体通过配合面粘接于扩张段绝热层组件外。本发明能够实现在不改变扩张段绝热层厚度的情况下满足外壁温的指标要求，降低重量，达到对发动机整体结构布局的优化设计。

Description

一种可降低扩张段外壁温的喷管及其设计方法
技术领域
本发明属于固体火箭发动机喷管技术领域，具体涉及一种可降低扩张段外壁温的喷管及其设计方法。
背景技术
发动机装配在导弹上时，发动机与尾舱对接，舱内需安装设备，舱内设备靠近喷管扩张段部位，设备工作时对环境有温度要求，为满足环境温度，对喷管扩张段外壁温有明确要求。一般扩张段绝热层是碳布/酚醛缠绕材料、高硅氧/酚醛缠绕材料或碳布/酚醛－高硅氧/酚醛混合缠绕材料，扩张段常用结构，如图1所示。由于喷管扩张段绝热层受空间限制，在有限的空间内，增加喷管扩张段绝热层内外型面厚度，这就要求发动机总体给出足够的空间，必将影响到发动机性能；因此现有喷管在绝热层有限厚度的范围内，很难满足弹总体的温度要求。
因此有必要设计一种新的结构，既能不影响发动机性能，又能解决外壁温要求的问题。这将对固体火箭发动机结构设计产生积极的效果。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种可降低扩张段外壁温的喷管及其设计方法，能够实现在不改变扩张段绝热层厚度的情况下满足外壁温的指标要求，降低重量，达到对发动机整体结构布局的优化设计。
实现本发明的技术方案如下：
一种可降低扩张段外壁温的喷管，其中该喷管的扩张段主要由扩张段壳体、扩张段绝热内层、扩张段绝热外层和挡环组成；所述扩张段绝热内层外锥面上加工有空气槽，所述挡环粘接于所述空气槽外形成一定厚度的空气层，所述扩张段绝热外层包覆于扩张段绝热内层和挡环外形成扩张段绝热层组件，所述扩张段壳体通过配合面粘接于扩张段绝热层组件外。
一种可降低扩张段外壁温的喷管的设计方法，具体过程为：
(1)扩张段壳体厚度设计：确定扩张段壳体厚度D1不低于1.3倍的安全余量；
(2)扩张段绝热层组件厚度设计：扩张段绝热层组件的出口厚度D取值不小于6mm；扩张段绝热内层厚度D2大于扩张段绝热外层的厚度D3，且取D2大于D3的厚度在2mm以上；挡环厚度D4在1mm～2mm之间，挡环的长度L1占扩张段绝热层组件总长L的50％～60％；
(3)空气层的厚度设计：空气层的厚度D5的取值在1mm～3mm之间，空气层长度L2小于L1长度10mm以上，且L1大于L2的两边长度量要均匀相等；
(4)根据上述确定的尺寸，扩张段绝热内层固化成型机加，在扩张段绝热内层外锥面上加工空气槽后，与挡环进行粘接，然后缠绕扩张段绝热外层，再进行固化机加组成扩张段绝热层组件，扩张段绝热层组件与扩张段壳体通过配合面进行配合粘接。
有益效果
本发明通过在扩张段绝热层上设计空气层，且利用挡环进行绝热层加固，由于空气低导热性、密度低，能够极大降低热量传导到喷管扩张段外表面，在有效降低喷管扩张段外壁温情况下，避免了为达到扩张段外壁温指标要求增加绝热层厚度导致重量增加而降低发动机性能的问题。
本发明设计的扩张段绝热结构可以实现降低喷管扩张段外壁温，降低重量，满足弹总体要求，并达到对发动机整体结构布局的优化设计
附图说明
图1为现有常用喷管扩张段结构示意图；
图1中，1－扩张段壳体，2－扩张段绝热层；
图2为本发明降低外壁温的扩张段结构示意图；
图2中，3－扩张段壳体，4－扩张段绝热外层，5－扩张段绝热内层，6－挡环。
具体实施方式
下面结合附图并列举具体实例对本发明进行详细说明。
一种可降低扩张段外壁温的喷管，如图2所示，该喷管的扩张段主要由扩张段壳体3、扩张段绝热内层4、扩张段绝热外层5和挡环6组成，所述扩张段绝热内层4外锥面上加工有空气槽，所述挡环6粘接于所述空气槽外形成一定厚度的空气层，所述扩张段绝热外层5包覆于扩张段绝热内层4和挡环6外，共同形成扩张段绝热层组件，所述扩张段壳体3通过配合面粘接于扩张段绝热层组件外。
本发明设计喷管扩张段绝热结构在空间尺寸有限、对于外壁温和重量要求较高的情况下，该结构利用空气的低导热系数和密度较低原理，进行了结构设计。空气层起到了低导热系数和低密度材料的效果，降低了热量的传导，减轻了重量，达到了降低扩张段外壁温和重量的效果。
一种可降低扩张段外壁温喷管的设计方法，具体过程为：
(1)扩张段壳体厚度设计：扩张段壳体3的厚度D1的取值与发动机工作压强有关，根据工作压强，通过喷管结构强度计算，在不低于1.3倍的安全余量下选取扩张段壳体厚度。
(2)扩张段绝热层组件厚度设计：扩张段绝热内层、扩张段绝热外层和扩张段挡环组成扩张段绝热层组件，扩张段绝热层组件的出口厚度D与发动机工作条件有关，进行热结构分析计算，但厚度D取值一般不小于6～7mm；扩张段绝热内层厚度D2大于扩张段绝热外层的厚度D3，既D3＜D2，一般取D2大于D3的厚度2mm以上；挡环厚度D4不要太厚但也不要太薄，在1mm～2mm之间，挡环的长度L1占扩张段绝热层组件总长L的50％～60％。
(3)空气层的厚度设计：空气层的厚度D5取值与弹总体的外壁温技术指标有关，同时进行热结构温度计算和结果强度计算，满足结构和外壁温要求。D5的取值在1mm～3mm之间，如果外壁温要求非常高且绝热层厚度足够，可适当增加空气层厚度D5，空气层长度L2要小于L1，L2一般小于L1长度10mm以上，L1大于L2的两边长度量要均匀相等。D6的取值是D2与D5的差值。
(4)根据上述确定的尺寸，扩张段绝热内层4固化成型机加，在扩张段绝热内层外锥面加工空气槽后，与挡环6进行粘接，则在粘接面之间形成一定厚度的空气层，扩张段绝热内层和挡环粘接后再缠绕扩张段绝热外层5后，再进行固化机加组成扩张段绝热层组件，扩张段绝热层组件与扩张段壳体通过配合面进行配合粘接形成扩张段组件，粘接后为保证强度可靠。
实例1
利用本发明设计的扩张段绝热结构可以实现降低喷管扩张段外壁温。以某发动机喷管扩张段组件结构为例进行说明，如图2所示，该发动机的工况为：工作时间30s，工作压强12.5MPa，弹总体设计任务书要求喷管在工作200s内，喷管外壁温≤350℃。常用的扩张段绝热层结构(见图1)外壁温不能满足要求。该喷管扩张段结构由扩张段绝热内层1、扩张段绝热外层2、扩张段壳体3和挡环组成，见图2。扩张段绝热层材料选用高硅氧/酚醛缠绕材料，锥角θ选取15°，扩张段绝热层厚度D在11mm左右，中间的空气层D5为1mm，靠近外壁面绝热层厚度D3为2.5mm，靠近内型面绝热层厚度D2为8.5mm，D6为7.5mm，计算没有空气层扩张段外壁温在382℃～456℃，有1mm空气层时，绝热层外壁温温度在324℃～387℃，外壁温度有所降低，降低了大约15.2％左右。根据此设计方法对降低扩张段外壁温有一定程度的效果。
实例2
适应可降低喷管扩张段外壁温的结构设计方法结构及构成同实施例1，不同之处在于中间的空气层D5为2mm，靠近内型面的绝热层厚度D6为6.5mm，相对于没有空气层扩张段外壁温，有2mm空气层时，绝热层外壁温温度在283℃～347℃，降低了大约25.9％，比有1mm空气层的外壁温降低了12.7％。根据此设计方法对降低扩张段外壁温有明显程度的效果。
实例3
可降低喷管扩张段外壁温的结构设计方法结构及构成同实施例1，不同之处在于中间的空气层D5为3mm，靠近内型面的绝热层厚度D6为5.5mm，相对于没有空气层扩张段外壁温，有3mm空气层时，绝热层外壁温温度在233℃～309℃，降低了大约39％，比有1mm空气层的外壁温降低了28.1％，比有2mm空气层的外壁温降低了17.7％，根据此设计方法对降低扩张段外壁温有明显程度的效果。
按此结构已随发动机进行了3发地试，发动机工作压强12.5MPa，工作时间30s，总体任务书要求测试时间到200s，且要求200s内外壁温不大于350℃，喷管重量不大于15Kg。3发测试结果温度由常用扩张段结构(见图1)的外壁温最高约487℃降低到304℃，温度降低了37.6％；相对于扩张段绝热层用常用的结构，扩张段绝热层重量降低了12.4％。可见在降低温度和重量方面该结构效果明显。
本实施例的上述描述和附图代表了本发明的优选方案，本领域技术人员可以根据不同的设计要求和设计参数在不偏离本发明权利要求所界定的范围内进行各种增补、改进和更换，因此，本发明是广泛的。

Claims (1)

1.一种可降低扩张段外壁温的喷管，其特征在于，该喷管的扩张段主要由扩张段壳体(3)、扩张段绝热内层(4)、扩张段绝热外层(5)和挡环(6)组成；所述扩张段绝热内层(4)外锥面上加工有空气槽，所述挡环(6)粘接于所述空气槽外形成一定厚度的空气层，所述扩张段绝热外层(5)包覆于扩张段绝热内层(4)和挡环(6)外形成扩张段绝热层组件，所述扩张段壳体(3)通过配合面粘接于扩张段绝热层组件外；
其中，扩张段绝热内层(4)固化成型机加，在扩张段绝热内层(4)外锥面上加工空气槽后，与挡环(6)进行粘接，然后缠绕扩张段绝热外层(5)，再进行固化机加组成扩张段绝热层组件，扩张段绝热层组件与扩张段壳体(3)通过配合面进行配合粘接；
所述可降低扩张段外壁温的喷管的设计方法，具体过程为：
(1)扩张段壳体厚度设计：确定扩张段壳体厚度D1不低于1.3倍的安全余量；
(2)扩张段绝热层组件厚度设计：扩张段绝热层组件的出口厚度D取值不小于6mm；扩张段绝热内层厚度D2大于扩张段绝热外层的厚度D3，且取D2大于D3的厚度在2mm以上；挡环厚度D4在1mm～2mm之间，挡环的长度L1占扩张段绝热层组件总长L的50％～60％；
(3)空气层的厚度设计：空气层的厚度D5的取值在1mm～3mm之间，空气层长度L2小于L1长度10mm以上，且L1大于L2的两边长度量要均匀相等；
(4)根据上述确定的尺寸，扩张段绝热内层固化成型机加，在扩张段绝热内层外锥面上加工空气槽后，与挡环进行粘接，然后缠绕扩张段绝热外层，再进行固化机加组成扩张段绝热层组件，扩张段绝热层组件与扩张段壳体通过配合面进行配合粘接。
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