CN110486189B - 一种多级固体火箭发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多级固体火箭发动机，包括：两级以上依次相连的固体火箭发动机及连接相邻两级固体火箭发动机的可分离连接机构；令相邻两级固体火箭发动机中位于航向前方的为前级固体火箭发动机，另一个为后级固体火箭发动机；可分离连接机构一端与后级固体火箭发动机固接，另一端与前级固体火箭发动机可分离连接；可分离连接机构具有容纳气体的级间容腔，后级固体火箭发动机工作时，其产生的一部分气体通过连通级间容腔和后级固体火箭发动机燃烧室的气体渗透孔渗入级间容腔中，气体渗透孔的孔径保证后级固体火箭发动机工作期间渗入级间容腔的气体能够在后级固体火箭发动机工作结束后推动前级固体火箭发动机与可分离连接机构分离。
Description
技术领域
本发明涉及固体火箭发动机技术领域，具体涉及一种多级固体火箭发动机。
背景技术
现有技术中的多级固体火箭发动机的相邻两级之间的连接装置一般为具有一定强度的爆炸螺栓等含火工品结构件，当进行勤务处理等工况需将相邻两级固体火箭发动机可靠连接时，连接装置能起到可靠连接作用，保证相邻两级之间稳固连接；当需要将相邻两级固体火箭发动机分离时，外部给连接装置中的爆炸螺栓一个触发信号，爆炸螺栓根据触发信号控制其内部的火工品引燃爆炸进而破坏连接装置自身结构，从而将相邻两级固体火箭发动机分离。
但是，现有技术中的连接装置存在以下缺陷：
1)爆炸螺栓内部含有火工品，此为使用者带来一定的安全风险；
2)引爆爆炸螺栓需要外部触发信号，增加了系统复杂度和成本；
3)爆炸螺栓爆炸工作有一定得爆炸冲击力，会对飞行器的稳定性产生一定的干扰。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种多级固体火箭发动机，连接相邻两级固体火箭发动机的连接机构不含火工品，能够实现相邻两级固体火箭发动机可靠连接的同时，利用后一级固体火箭发动机的能量实现后一级固体火箭发动机工作结束后相邻两级固体火箭发动机的安全分离。
本发明的技术方案为：一种多级固体火箭发动机，包括：两级以上依次相连的固体火箭发动机及连接相邻两级固体火箭发动机的可分离连接机构；令相邻两级固体火箭发动机中位于航向前方的为前级固体火箭发动机，另一个为后级固体火箭发动机；所述可分离连接机构一端与所述后级固体火箭发动机固接，另一端与所述前级固体火箭发动机可分离连接；
所述可分离连接机构具有容纳气体的级间容腔，所述后级固体火箭发动机工作时，其产生的一部分气体通过连通级间容腔和后级固体火箭发动机燃烧室的气体渗透孔渗入所述级间容腔中，所述气体渗透孔的孔径保证后级固体火箭发动机工作期间渗入所述级间容腔的气体能够在后级固体火箭发动机工作结束后推动所述前级固体火箭发动机与所述可分离连接机构分离。
作为一种优选方案，所述可分离连接机构包括：连接段和弹性卡座；所述连接段为两端开口的筒状结构，其一端同轴固定在后级固体火箭发动机的前封头外周，另一端内部设置环形凸台，前级固体火箭发动机的喷管外周抵触在连接段内部的环形凸台上；所述弹性卡座为开口端与前级固体火箭发动机的喷管扩散段的形状一致的杯状结构，其封闭端同轴固定在后级固体火箭发动机的前封头的前端面上，其开口端卡套在前级固体火箭发动机的喷管扩散段的外周，对前级固体火箭发动机的喷管扩散段轴向限位，所述弹性卡座和前级固体火箭发动机的喷管扩散段卡接后密封；
所述弹性卡座、前级固体火箭发动机的喷管扩散段和设置在前级固体火箭发动机的喷管扩散段中的密封堵盖围成所述级间容腔，所述气体渗透孔连通后级固体火箭发动机的燃烧室和级间容腔；
所述气体渗透孔的孔径保证后级固体火箭发动机工作期间通过所述气体渗透孔渗入所述级间容腔的气体在后级固体火箭发动机工作结束时对弹性卡座产生的向后的作用力大于后级固体火箭发动机燃烧室内气体对后级固体火箭发动机前封头的作用力和所述弹性卡座在后级固体火箭发动机轴向上产生的预紧力之和。
有益效果：
(1)本发明的多级固体火箭发动机的连接机构不含火工品，安全可靠，能够实现相邻两级固体火箭发动机可靠连接的同时，利用后级固体火箭发动机的能量实现后级固体火箭发动机工作结束后相邻两级固体火箭发动机的安全分离。
(2)本发明的连接机构不需要外部信号触发，降低了系统复杂度，有利于提高飞行器的可靠性和稳定性。
附图说明
图1为本发明的多级固体火箭发动机连接机构的结构示意图。
其中，1-一级前封头，2-连接段，3-二级喷管，4-弹性卡座，5-气体渗透孔，6-级间容腔，7-密封堵盖，8-二级喷管扩散段，9-一级固体火箭发动机；10-二级固体火箭发动机
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：
本实施例提供了一种多级固体火箭发动机，连接相邻两级固体火箭发动机的连接机构不含火工品，能够实现相邻两级固体火箭发动机可靠连接的同时，利用后一级固体火箭发动机的能量实现后一级固体火箭发动机工作结束后相邻两级固体火箭发动机的安全分离。
本实施例的多级固体火箭发动机包括两级以上依次相连的固体火箭发动机以及连接相邻两级固体火箭发动机的可分离连接机构，其中，可分离连接机构不含火工品。
以两级固体火箭发动机为例，如图1所示，该两级固体火箭发动机包括：一级前封头1、可分离连接机构、二级喷管3、密封堵盖7、一级固体火箭发动机9和二级固体火箭发动机10；一级前封头1固定安装在一级固体火箭发动机的前端；二级喷管3为拉瓦尔喷管，其一端固定连接在二级固体火箭发动机的后端，另一端记为二级喷管扩散段8，二级喷管扩散段8内部卡套有密封堵盖7，用于封堵二级喷管3的出口；可分离连接机构一端与二级喷管扩散段8卡接，另一端与一级前封头1固定连接。
具体地：当一级固体火箭发动机工作时，其产生的高压气体从一级固体火箭发动机的后端喷出推进该多级固体火箭发动机前进的同时，一部分气体逐渐渗入可分离连接机构，当一级固体火箭发动机工作结束后，一级固体火箭发动机燃烧室内与大气压平衡，可分离连接机构内部积攒的气体对一级前封头1产生向后的作用力，该作用力克服一级固体火箭发动机燃烧室内气体对一级前封头1的作用力和可分离连接机构在一级固体火箭发动机轴向上产生的预紧力之和，足够将相邻两级固体火箭发动机分离。
实施例2：
在实施例1的基础上，可分离连接机构包括：连接段2和弹性卡座4；连接段2为两端开口的筒状结构，其一端同轴固定在一级前封头1外周，另一端内部设置环形凸台，二级喷管3外周抵触在连接段2内部的环形凸台上；弹性卡座4为开口端与二级喷管扩散段8形状一致的杯状结构，其封闭端同轴固定在一级前封头1的前端面上，其开口端卡套在二级喷管扩散段8的外周，对二级喷管扩散段8起轴向限位作用，弹性卡座4和二级喷管扩散段8的端部卡接后在二者连接处密封；为了便于二级喷管扩散段8和弹性卡座4之间的安装，在弹性卡座4开口端端部设置喇叭口；
密封堵盖7、二级喷管扩散段8和弹性卡座4围成级间容腔6，弹性卡座4、一级前封头1和一级固体火箭发动机的轴向开设气体渗透孔5，用于连通一级固体火箭发动机的燃烧室和级间容腔6，其孔径在设定阈值内，用于保证当一级固体火箭发动机的燃烧室工作产生高压气体推动两级固体火箭发动机前进的同时，其内的一部分气体从气体渗透孔5逐渐渗入级间容腔6，当一级固体火箭发动机工作结束的瞬间，级间容腔6内的气体来不及反向快速渗透到一级固体火箭发动机燃烧室，一级固体火箭发动机燃烧室内的气压与大气压连通一致，级间容腔6内积聚的气体的气压大于大气压，足够克服一级固体火箭发动机燃烧室内气体对一级前封头1的作用力和弹性卡座4在一级固体火箭发动机轴向上产生的预紧力之和、推动一级固体火箭发动机和二级固体火箭发动机分离，级间容腔6内的气体对弹性卡座4产生向后的作用力，该作用力破坏弹性卡座4对二级喷管扩散段8的轴向限位作用，推动弹性卡座4脱离二级喷管扩散段8，进而推动一级前封头1和一级固体火箭发动机向后运动脱离二级喷管扩散段8，实现相邻两级固体火箭发动机的分离。
实施例3：
在实施例2的基础上，气体渗透孔5的孔径通过以下方法(现有技术)确定：
根据一级固体火箭发动机燃烧室内压力-时间变化规律及气体经过气体渗透孔5的流动性质，级间容腔6内气体流动可分为以下三个阶段：
第一阶段：一级固体火箭发动机点火工作后，其产生的高压气体使燃烧室内压力迅速上升，高压气体向级间容腔6内临界流入；
第二阶段：随着级间容腔6内压力上升，高压气体向级间容腔6内非临界流入，直到级间容腔6内的压力与一级固体火箭发动机燃烧室的压力达到平衡；
第三阶段：当一级固体火箭发动机工作结束的瞬间，其燃烧室压力剧烈下降为大气压，级间容腔6内的气体压力大于一级固体火箭发动机燃烧室内的压力，级间容腔6内气体通过气体渗透孔5向一级固体火箭发动机燃烧室非临界流入，级间容腔6和一级固体火箭发动机燃烧室的压力差足够推动一级固体火箭发动机和二级固体火箭发动机分离，直至该压力差推动一级固体火箭发动机和二级固体火箭发动机分离后，级间容腔6断开，压力将为大气压。
其中，第一阶段和第二阶段时，弹性卡座4与二级喷管扩散段8不发生相对运动；第三阶段时，级间容腔6与一级固体火箭发动机燃烧室的压力差将弹性卡座4向后推，弹性卡座4与二级喷管扩散段8分离，从而实现一级固体火箭发动机和二级固体火箭发动机分离。
为了使一级固体火箭发动机和二级固体火箭发动机分离正常分离，气体渗透孔的孔径计算如下：
(1)一级固体火箭发动机和二级固体火箭发动机分离条件，需满足如下关系式：
F'＝F1-F2>F0
其中，F1是级间容腔6内的气体对一级前封头1产生的作用力，F2是一级固体火箭发动机燃烧室内气体对一级前封头1产生的作用力，F0是弹性卡座4在一级固体火箭发动机轴向上产生的预紧力；
(2)要分析F1与气体渗透孔5的孔径的关系，就要分析级间容腔6内压力随时间的变化规律，分析气体经气体渗透孔5流入或流出级间容腔6的问题，提出以下假设：
(a)气体为理想气体；
(b)流动过程是准定常的，也是绝热的；
(c)气体流入或流出级间容腔6对一级固体火箭发动机燃烧室内压力变化无影响。
基于上述假设：
首先，级间容腔6内的气体对一级前封头1产生的作用力F1等于级间容腔6内气体压强P与弹性卡座4内底面面积A的乘积，即F1＝P×A；
其次，根据气体状态方程以及密度与体积的关系：
P＝ρ×R×T
ρ＝m/V
其中，R为理想气体常数，T为级间容腔6内气体的热力学温度，ρ为级间容腔6内气体的密度，m为级间容腔6内气体质量，V为级间容腔6的体积；
再次，级间容腔6内气体质量由气体流入或流出过程积分计算如下：
其中，m0为级间容腔6内气体初始质量，t为一级固体火箭发动机工作时间，q为通过气体渗透孔5的气体流量；
最后，考虑气体经过气体渗透孔5流动过程中的局部损失和突缩效应，气体流过气体渗透孔5的流量按下式计算：
其中，CD为气体渗透孔5内气体的流量系数，
为气体渗透孔5内气体总压，C*为气体渗透孔5内气体的特征速度，d为气体渗透孔5的直径，Q(λ2)为气体渗透孔5内气体的流量函数；
至此，即可得到通气孔的孔径d。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种多级固体火箭发动机，其特征在于，包括：两级以上依次相连的固体火箭发动机及连接相邻两级固体火箭发动机的可分离连接机构；令相邻两级固体火箭发动机中位于航向前方的为前级固体火箭发动机，另一个为后级固体火箭发动机；所述可分离连接机构一端与所述后级固体火箭发动机固接，另一端与所述前级固体火箭发动机可分离连接；
所述可分离连接机构具有容纳气体的级间容腔(6)，所述后级固体火箭发动机工作时，其产生的一部分气体通过连通级间容腔(6)和后级固体火箭发动机燃烧室的气体渗透孔(5)渗入所述级间容腔(6)中，所述气体渗透孔(5)的孔径保证后级固体火箭发动机工作期间渗入所述级间容腔(6)的气体能够在后级固体火箭发动机工作结束后推动所述前级固体火箭发动机与所述可分离连接机构分离；
所述可分离连接机构包括：连接段(2)和弹性卡座(4)；所述连接段(2)为两端开口的筒状结构，其一端同轴固定在后级固体火箭发动机的前封头外周，另一端内部设置环形凸台，前级固体火箭发动机的喷管外周抵触在连接段(2)内部的环形凸台上；所述弹性卡座(4)为开口端与前级固体火箭发动机的喷管扩散段的形状一致的杯状结构，其封闭端同轴固定在后级固体火箭发动机的前封头的前端面上，其开口端卡套在前级固体火箭发动机的喷管扩散段的外周，对前级固体火箭发动机的喷管扩散段轴向限位，所述弹性卡座(4)和前级固体火箭发动机的喷管扩散段卡接后密封；
所述弹性卡座(4)、前级固体火箭发动机的喷管扩散段和设置在前级固体火箭发动机的喷管扩散段中的密封堵盖(7)围成所述级间容腔(6)，所述气体渗透孔(5)连通后级固体火箭发动机的燃烧室和级间容腔(6)；
所述气体渗透孔(5)的孔径保证后级固体火箭发动机工作期间通过所述气体渗透孔(5)渗入所述级间容腔(6)的气体在后级固体火箭发动机工作结束时对弹性卡座(4)产生的向后的作用力大于后级固体火箭发动机燃烧室内气体对后级固体火箭发动机前封头的作用力和所述弹性卡座(4)在后级固体火箭发动机轴向上产生的预紧力之和。
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