CN110066211A - 一种固液火箭发动机药柱的制备系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及一种固液火箭发动机药柱的制备系统，其特征在于，包括增压装置、熔融搅拌机、恒温运输管、旋转套筒和电机；所述增压装置连接所述熔融搅拌机，用于调节所述熔融搅拌机内的压力；所述熔融搅拌机还通过所述恒温运输管连接所述旋转套筒，用于向所述旋转套筒内恒温输送熔融药浆；所述旋转套筒与所述电机连接，通过所述电机控制所述旋转套筒的转速；所述系统还包括设置于所述旋转套筒轴用于冷却所述药浆的风扇。由此，实现了大型石蜡基药柱制备技术上的突破，根本上解决了大推力固液火箭发动机药柱制备的难题。
Description
技术领域
本发明实施例涉及大型固液火箭发动机核心技术领域中药柱成型系统及工艺，尤其涉及一种固液火箭发动机药柱的制备系统及方法。
背景技术
固液火箭发动机大多通过使用液体氧化剂与固体燃料的组合方式作为推进剂，使其在结构上兼具液体火箭发动机与液体火箭发动机的诸多优点，比如：系统简单，成本低；推进剂分离存储，具有更高的安全性；固液火箭发动机的推力可以通过调节液体氧化剂的供给实现，且配合自点火、火炬式点火等点火方式能够实现固液火箭发动机的多次启动；固体燃料大多采用碳氢燃料，洁净无毒。伴随商业航天的逐渐兴起与发展，对于低成本高可靠性的火箭发射系统需求日益增加，固液火箭发动机的这些优点十分符合目前的需求，也因此吸引了很多的目光。但是，目前的固液火箭发动机技术还不太成熟，相比于固体和液体火箭发动机而言仍然存在一些不足。其中，传统药柱材料如端羟基聚丁二烯等退移速率较低是目前制约固液火箭发动机进一步发展的关键问题。针对这个问题，传统方法采用多孔结构，以增大燃面面积的方式提高燃料的质量流量，进而增大固液火箭发动机的推力。这就使得固液火箭发动机内部的燃料填充率大幅度下降，同样的药柱质量需要更大的燃烧室直径或更长燃烧室长度，变相增加了发动机的结构质量。
Stanford的Cantwell等人发现石蜡燃料能够极大程度的提高药柱燃烧退移速率，在同样条件下能够达到传统端羟基聚丁二烯的数倍，固液火箭发动机的推力也因此可以提高数倍，使得固液火箭发动机仅凭单孔药柱结构即可实现更大推力。这一发现极大地促进了固液火箭发动机的发展。但科研人员对石蜡进一步展开测试后发现：石蜡燃料热胀冷缩效应明显，大型石蜡药柱成型过程中非常容易发生由于温度分布不均或降温速度过快而造成热应力的积聚从而使药柱产生裂纹或断裂的现象，最终导致成型失败。除此之外，石蜡燃料的机械性能差，大型石蜡药柱在成型、运输、装配以及工作过程中易受气流、热、震动等因素影响下发生坍塌，极大降低了固液火箭发动机的安全可靠性。大型石蜡基燃料药柱制备困难根本上制约了大型固液火箭发动机的发展。
发明内容
本发明实施例提供了一种固液火箭发动机药柱的制备系统及方法，可以实现大型石蜡基燃料药柱的快速成型，保证药柱尺寸与性能达到设计要求。
第一方面，本发明提供了一种固液火箭发动机药柱的制备系统，所述系统包括增压装置、熔融搅拌机、恒温运输管、旋转套筒和电机；
所述增压装置连接所述熔融搅拌机，用于调节所述熔融搅拌机内的压力；
所述熔融搅拌机还通过所述恒温运输管连接所述旋转套筒，用于向所述旋转套筒内恒温输送熔融药浆；
所述旋转套筒与所述电机连接，通过所述电机控制所述旋转套筒的转速；
所述系统还包括：所述旋转套筒一端对应设置有用于冷却所述药浆的冷却装置。
在一个可能的实施方式中，所述恒温运输管由温控器、输送管道及缠绕在所述输送管道外壁的加热带组成。
在一个可能的实施方式中，所述旋转套筒内设有药柱模具，所述旋转套筒的内径与所述药柱模具的外径相同，所述旋转套筒的两端均设有保温压片，且所述保温压片的孔径与所述药柱模具的孔径相同。
在一个可能的实施方式中，所述药柱模具内设有中空柱体，所述中空柱体与所述药柱模具形成的腔体用于存放药柱，所述药柱模具的长度为2000mm，外径为615mm，内径与所述药柱的外径相同为600mm。
在一个可能的实施方式中，所述药柱模具和所述保温压片均为酚醛树脂材料。
在一个可能的实施方式中，所述增压装置和所述恒温运输管均通过法兰与所述熔融搅拌机连接。
第二方面，提供了一种固液火箭发动机药柱的制备方法，采用一种固液火箭发动机药柱的制备系统，所述方法包括：
制备熔融药浆：
采用配方为50-60份石蜡、15-25份聚乙烯蜡、5-10份EVA、5-10份硬脂酸和1-3份碳粉的石蜡基燃料，将所述燃料装入所述熔融搅拌机中，设置温度140℃，待燃料完全融化后，开始搅拌使各组分均匀混合；
组装药柱模具：
将所述药柱模具内表面涂覆一层脱模剂，将其装入所述旋转套筒，并在所述旋转套筒的两侧安装保温压片。
离心浇注成型：
设置所述恒温运输管与所述熔融搅拌机的温度均为140℃；
打开所述增压装置的气路阀门进行增压，并设置压力为0.5-2atm；
启动电机，待所述电机转速稳定达到600r/min后，打开所述恒温运输管的阀门，开始分批次浇注,直至浇注完成。
在一个可能的实施方式中，所述分批次浇注具体为：每一次浇注后，通过风扇对药柱进行冷却，待药柱温度降为室温，开始下一次浇注。
在一个可能的实施方式中，所述方法还包括药柱后处理，待药柱浇注完成，关闭熔融搅拌机、电机和增压装置，拆卸旋转套筒两端的保温压片，取出成型药柱，对所述药柱进行打磨修剪。
在一个可能的实施方式中，所述分批次浇注，每次浇注药浆的厚度控制在1.5-2cm。
本发明实施例提供的一种固液火箭发动机药柱的制备系统及方法，实现了大型石蜡基药柱制备技术上的突破，根本上解决了大推力固液火箭发动机药柱制备的难题。一方面，本发明设计的系统架构简单，模具可以重复使用，药柱加工制作的成本显著降低。另一方面在制备工艺上通过调整石蜡基燃料组分、分批次浇注以及有效降温的组合方式，提高了石蜡基燃料药柱的机械强度，及时排出大型石蜡基燃料药柱成型过程中降温固化出现的热应力，极大地减少了大型药药柱内裂纹的产生，最终克服了传统石蜡基大型药柱成型难的问题，保证了药柱成型质量，节约了药柱成型时间。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种固液火箭发动机药柱的制备系统示意图；
图2为本发明实施例提供的一种固液火箭发动机药柱的制备系统中旋转套筒的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种固液火箭发动机药柱的制备方法流程图；
附图标记：1-熔融搅拌机，2-恒温运输管，3-增压装置，4-药柱模具，5-保温压片，6-旋转套筒，7-电机，8-冷却装置。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方法进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动成果前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系，运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
图1为本发明实施例提供的一种固液火箭发动机药柱的制备系统示意图，如图1所示，药柱制备系统包括增压装置3、熔融搅拌机1、恒温运输管2、旋转套筒6和电机7；
其中，增压装置3通过设置于熔融搅拌机上方的法兰与熔融搅拌机1连接，增压装置3上设有开关阀门和用于控制熔融搅拌机内压力的调压阀门，增压装置3的增压能力不小于2atm。
熔融搅拌机1的容积为1000L，极限加热温度为250℃，转速范围1-10r/s；熔融搅拌机1通过下方的法兰与恒温运输管2对接，并通过恒温运输管2连接旋转套筒6，用于向旋转套筒6内恒温输送熔融药浆。其中，熔融搅拌机1采用法兰与恒温运输管2对接，用于确保密封并防止燃料泄漏；恒温运输管2由输送管道、设置在输送管道中段的温控器及缠绕在所述输送管道外壁的加热带构成，且恒温运输管2的极限加热温度与熔融搅拌相同。
图2为本发明实施例提供的一种固液火箭发动机药柱的制备系统中旋转套筒的结构示意图，如图2所示，旋转套筒采用不锈钢材料，壁厚为40mm，长度2170mm，旋转套筒6内设有药柱模具4，药柱模具4内设有中空柱体，中空柱体与药柱模具4形成的腔体用于存放药柱，药柱模具4的长度为2000mm，外径为615mm，内径与药柱的外径相同为600mm。
旋转套筒6的两端安装有保温压片5，且所述保温压片5的孔径与药柱模具4的孔径相同，其厚度为20mm，药柱模具4与保温压片5均采用酚醛树脂材料，是因为酚醛树脂材料具有易脱模，可抵抗热变形的特点。
旋转套筒6位于传动装置上，传动装置与电机7连接，并通过所述电机7控制旋转套筒的转速；电机最大转速为1500r/s；
其中，传动装置包括两个用于承载旋转套筒的支撑台，两个支撑台之间通过连接杆连接，支撑台中还设有传动组，传动组包括主动轮、从动轮与链条，连接管与主动轮连接，从动轮用于固定并带动旋转套筒旋转，连接杆还通过传送带连接电机7；启动电机后，电机通过带动传送带传动，使连接杆带动链条转动，继而转动旋转套筒。
系统还包括对应设置于旋转套筒6一端用于冷却药柱的冷却装置8，冷却装置8的高度与旋转套筒6中心平齐。
本发明的一个实施例中，冷却装置8为风扇，风扇的扇面直径为药柱模具外径的1/2,转速可调，且最大转速25r/s。
本发明实施例还提供了一种固液火箭发动机药柱的制备方法，采用一种固液火箭发动机药柱的制备系统，该方法包括：
制备熔融药浆：
采用配方为50-60份石蜡、15-25份聚乙烯蜡、5-10份EVA、5-10份硬脂酸和1-3份碳粉的石蜡基燃料，将所述燃料装入所述熔融搅拌机中，设置温度140℃，待燃料完全融化后，开始搅拌使各组分均匀混合；
组装药柱模具：
将所述药柱模具内表面涂覆一层脱模剂，将其装入所述旋转套筒，并在所述旋转套筒的两侧安装保温压片。
离心浇注成型：
设置所述恒温运输管与所述熔融搅拌机的温度均为140℃；
打开所述增压装置的气路阀门进行增压，并设置压力为0.5-2atm；
启动电机，待所述电机转速稳定达到600r/min后，打开所述恒温运输管的阀门，开始分批次浇注,直至浇注完成。
所述方法还包括药柱后处理，待药柱浇注完成，关闭熔融搅拌机、电机和增压装置，拆卸旋转套筒两端的保温压片，取出成型药柱，对所述药柱进行打磨修剪。
其中分批次浇注具体为：每一次浇注后，通过风扇对药柱进行冷却，待药柱温度降为室温，开始下一次浇注，直至浇注完成。
在分批次浇注中，每次浇注药浆的厚度控制在1.5-2cm。
以上对发明的具体实施方式进行了详细说明，但是作为范例，本发明并不限制与以上描述的具体实施方式。对于本领域的技术人员而言，任何对该发明进行的同等修改或替代也都在本发明的范畴之中，因此，在不脱离本发明的精神和原则范围下所作的均等变换和修改、改进等，都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种固液火箭发动机药柱的制备系统，其特征在于，包括增压装置、熔融搅拌机、恒温运输管、旋转套筒和电机；
所述增压装置连接所述熔融搅拌机，用于调节所述熔融搅拌机内的压力；
所述熔融搅拌机还通过所述恒温运输管连接所述旋转套筒，用于向所述旋转套筒内恒温输送熔融药浆；
所述旋转套筒与所述电机连接，通过所述电机控制所述旋转套筒的转速；
所述系统还包括：所述旋转套筒一端对应设置有用于冷却所述药浆的冷却装置。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述恒温运输管包括：输送管道、设置在运输管道中段的温控器及缠绕在所述输送管道外壁的加热带。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述旋转套筒内设有药柱模具，所述旋转套筒的内径与所述药柱模具的外径相同，所述旋转套筒的两端还设有保温压片，且所述保温压片的孔径与所述药柱模具的孔径相同。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述药柱模具内设有中空柱体，所述中空柱体与所述药柱模具形成的腔体用于存放药柱，所述药柱模具的长度为2000mm，外径为615mm，内径与所述药柱的外径相同为600mm。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述药柱模具和所述保温压片均为酚醛树脂材料。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述增压装置和所述恒温运输管均通过法兰与所述熔融搅拌机连接。
7.一种固液火箭发动机药柱的制备方法，采用权利要求1-6任一所述的一种固液火箭发动机药柱的制备系统，其特征在于，所述方法包括：
制备熔融药浆：
采用配方为50-60份石蜡、15-25份聚乙烯蜡、5-10份EVA、5-10份硬脂酸和1-3份碳粉的石蜡基燃料，将所述石蜡基燃料装入所述熔融搅拌机中，设置温度140℃，待燃料完全融化后，开始搅拌使各组分均匀混合；
组装药柱模具：
将所述药柱模具内表面涂覆一层脱模剂，将其装入所述旋转套筒后，并在所述旋转套筒的两侧安装保温压片。
离心浇注成型：
设置所述恒温运输管与所述熔融搅拌机的温度均为140℃；
打开所述增压装置的气路阀门进行增压，并设置压力为0.5-2atm；
启动电机，待所述电机转速稳定达到600r/min后，打开所述恒温运输管的阀门，开始分批次浇注,直至浇注完成。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述分批次浇注具体为：每一次浇注后，通过风扇对所述药柱进行冷却，待药柱温度降为室温，开始下一次浇注。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括药柱后处理，待药柱浇注完成，关闭熔融搅拌机、电机和增压装置，拆卸旋转套筒两端的保温压片，取出成型药柱，对所述药柱进行打磨修剪。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述分批次浇注，每一次浇注药浆的厚度控制在1.5-2cm。
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