CN111237089A - 一种推力可调固体发动机及其中心调节锥 - Google Patents

一种推力可调固体发动机及其中心调节锥 Download PDF

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张翔
樊鹏飞
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Abstract

本申请涉及固体发动机技术领域，尤其涉及一种推力可调固体发动机及其中心调节锥，其中，中心调节锥包括：中心调节锥本体和气相沉积于所述中心调节锥本体外表面上气相沉积钨层，并且所述气相沉积钨层覆盖所述中心调节锥本体的椎体位置，或者所述气相沉积钨层覆盖所述中心调节锥本体的椎体位置以及与所述椎体位置连接的部分或全部圆柱体位置。本申请提供的中心调节锥可以避免由于燃烧室壳体内的高温、高压，尤其是流经中心调节锥外表面的流体速度快而造成的中心调节锥的烧蚀率较大的问题，从而保证了中心调节锥的性能在整个发动机工作时间内得以良好的保持，并且还降低中心调节锥的重量、减小中心调节锥的体积。

Description

一种推力可调固体发动机及其中心调节锥
技术领域
本申请涉及固体发动机技术领域，尤其涉及一种推力可调固体发动机及其中心调节锥。
背景技术
推力可调固体火箭发动机可以通过不同的方式实现推力的调节，其中较为广泛的是通过中心调节锥实现的推力的可调。
具体的，推力可调固体火箭发动机由药柱、燃烧室壳体、喷管、点火装置和中心调节锥等组成。燃烧室壳体的一端管口处与喷管固定连接，药柱置于燃烧室壳体中，中心调节锥位于燃烧室壳体内并且其锥形的一端朝向喷管的喉部，点火装置用于点燃置于燃烧室壳体内的药柱。在药柱燃烧时，通过控制中心调节锥朝向喷管喉部的距离，从而控制喷管喉部的开口面积，进而实现固体发动机的推力可调节。
目前，一般采用C/C中心调节锥(即采用C/C复合材料制成的中心调节锥)，或者采用钨渗铜中心调节锥，然而，由于药柱燃烧时燃烧室壳体内的温度高达1800度～3500度，压力高达106～2×107帕，因此对位于燃烧室壳体内的C/C中心调节锥或者钨渗铜中心调节锥的烧蚀性能影响较大。
因此，如何使得中心调节锥的烧蚀性能在发动机整个工作过程中较小，是目前本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
本申请提供了一种推力可调固体发动机及其中心调节锥，在保证了中心调节锥的烧蚀性能在发动机整个工作过程中较小的基础上，还降低中心调节锥的重量，减小中心调节锥的体积。
为解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：
一种推力可调固体发动机的中心调节锥，包括：中心调节锥本体和气相沉积于所述中心调节锥本体外表面上气相沉积钨层，并且所述气相沉积钨层覆盖所述中心调节锥本体的椎体位置，或者所述气相沉积钨层覆盖所述中心调节锥本体的椎体位置以及与所述椎体位置连接的部分或全部圆柱体位置。
如上所述的推力可调固体发动机的中心调节锥，其中，优选的，所述气相沉积钨层的厚度根据推力可调固体发动机的工作时间的长短、推力可调固体发动机的推进剂、推力可调固体发动机燃烧室壳体内工作压强确定。
如上所述的推力可调固定发动机的中心调节锥，其中，优选的是，所述推力可调固体发动机的工作时间为100s，则所述中心调节锥的气相沉积钨层的厚度是2mm。
如上所述的推力可调固体发动机的中心调节锥，其中，优选的是，所述中心调节锥本体为C/C中心调节锥本体。
如上所述的推力可调固体发动机的中心调节锥，其中，优选的是，所述C/C中心调节锥本体通过支撑调节结构将其支撑于推力可调固体发动机的燃烧室壳体内。
如上所述的推力可调固体发动机的中心调节锥，其中，优选的是，所述C/C中心调节锥本体的热膨胀系数与所述气相沉积钨层的热膨胀系数匹配。
如上所述的推力可调固体发动机的中心调节锥，其中，优选的是，所述中心调节锥本体的圆柱体的位置具有向内凹的凹台，并且所述凹台延伸至所述中心调节锥本体的椎体位置，所述气相沉积钨层覆盖至所述中心调节锥本体的凹台和椎体位置。
一种推力可调固体发动机，包括上述任一项所述的中心调节锥，所述中心调节锥设置于燃烧室壳体内，并且覆盖有气相沉积钨的一端可插向喷管的喉部。
相对上述背景技术，本发明所提供的推力可调固体发动机及其中心调节锥可以避免由于燃烧室壳体内的高温、高压，尤其是流经中心调节锥外表面的流体速度快而造成的中心调节锥的烧蚀率较大的问题，从而保证了中心调节锥的烧蚀性能在发动机整个工作过程中较小，并且还降低中心调节锥的重量，减小中心调节锥的体积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的推力可调固体发动机的中心调节锥的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
在推力调节比约4:1的工作条件下，C/C中心调节锥的烧蚀率约为0.55mm/s，钨渗铜中心调节锥的烧蚀率约为0.085mm/s，然而上述的中心调节锥的烧蚀率均较大。即使是烧蚀率相对较小的钨渗铜中心调节锥，其工作超过200s的时间，纵使烧蚀率降为0.03mm/s，烧蚀量也会达到6mm，从而使得钨渗铜中心调节锥内部的铜融化流失，剩下的钨骨架一方面其结构成为了多孔结构，一方面烧结而成的钨骨架的原子之间结合力较差，从而影响了钨渗铜中心调节锥的性能。另外，在上述基础上，为了实现钨渗铜中心调节锥的结构，保证钨渗铜中心调节锥的性能，需要付出的结构质量也相对较大。而对于烧蚀率更加大的C/C中心调节锥而言，其性能受烧蚀的影响更加大，并且为了保证其结构和性能，需要付出的结构质量会更加大。
而造成中心调节锥的烧蚀率较大的不仅是由于燃烧室壳体内的高温、高压，更重要的是由于中心调节锥插向喷管喉部的位置后，流经中心调节锥外表面，尤其是流经靠近中心调节锥椎体位置的外表面的流体速度很快，从而造成中心调节锥的烧蚀率较大。
请参见图1，图1是本申请实施例提供的推力可调固体发动机的中心调节锥的结构示意图。
基于此，本申请提供了一种推力可调固体发动机的中心调节锥，包括：中心调节锥本体110和气相沉积于中心调节锥本体110外表面上气相沉积钨层120。其中，气相沉积钨层120是利用气相中发生的物理、化学过程，在中心调节锥本体110的表面形成致密的原子钨涂层。并且，气相沉积钨层120覆盖中心调节锥本体110的椎体位置，或者气相沉积钨层120覆盖中心调节锥本体110的椎体位置以及与椎体位置连接的部分或全部圆柱体位置，具体可以根据实际的需要设置气相沉积钨层120的长度和厚度，也就是气相沉积钨层120覆盖在中心调节锥本体110或中心调节锥本体110与圆柱体位置上的长度和厚度。
由于本申请提供的推力可调固体发动机的中心调节锥，其中心调节锥本体110的椎体位置覆盖有气相沉积的气相沉积钨层120，而气相沉积钨层120是致密的原子钨层，钨的熔点高达3422℃，通过钨棒的耐烧蚀试验表明，致密钨的耐烧蚀性能远远优于钨渗铜，在发动机工作环境下的烧蚀率小于0.01mm/s，所以气相沉积钨层120具有良好的耐烧蚀性能，因此可以避免由于燃烧室壳体内的高温、高压，尤其是中心调节锥插向喷管喉部的位置后，流经中心调节锥外表面的流体速度快而造成的中心调节锥的烧蚀率较大的问题，从而保证了中心调节锥的性能在燃烧室壳体内的影响较小。
并且，由于本申请提供的中心调节锥的烧蚀性能在发动机整个工作时间内的影响较小，从而避免了增加中心调节锥体积和重量而保证中心调节锥的性能，因此本申请提供的中心调节锥可以在保证其性能的基础上，降低中心调节锥的重量，减小中心调节锥的体积，也就是中心调节锥的结构尺寸。
在上述基础上，气相沉积钨层120具有预定的厚度，具体根据推力可调固体发动机的工作时间的长短、推力可调固体发动机的推进剂、推力可调固体发动机燃烧室壳体内的工作压强确定，例如：工作100s的推力可调固体发动机，其燃烧室壳体内部的中心调节锥的气相沉积钨层120的厚度是2mm。
另外，本申请实施中优选中心调节锥本体110的材质为C/C复合材料(即炭/炭复合材料，是一种由高强度炭素材料和炭素基质经过石墨化增强处理后构成的材料)，也就是说中心调节锥本体110优选为C/C中心调节锥本体，由于气相沉积钨层120可以避免流经C/C中心调节锥本体外表面的流体速度快而造成的烧蚀率大的问题，因此才能在C/C复合材料的体积密度低的基础上，进一步的减轻中心调节锥的重量，而并非是通过牺牲体积和重量而克服烧蚀率大的问题。
此外，还由于C/C复合材料的热传导系数较小，因此本申请实施例提供的中心调节锥在保证其性能、重量、体积的基础上，还可以通过中心调节锥本体110避免与将其支撑于推力可调固定发动机的燃烧室壳体内的支撑调节结构之间的热传导。
为了保证在药柱燃烧过程中，中心调节锥本体110(C/C中心调节锥本体)与气相沉积钨层120之间的结合性能，本申请实施例中优选C/C中心调节锥本体的热膨胀系数与气相沉积钨层120的热膨胀系数匹配，也就是保证了C/C中心调节锥本体与气相沉积钨层120的热结构匹配性。具体的，依据钨的热结构特性参数(热膨胀系数)，通过选用合适的C/C材料的结构和密度，并通过气相沉积过程控制C/C中心调节锥本体与气相沉积钨层120过渡层的微观结构，实现两者在发动机工作过程中的热结构匹配。
在上述基础上，为了保证中心调节锥本体110的外表面和气相沉积钨层120的外表面之间平整，本申请实施例中优选中心调节锥本体110的圆柱体的位置具有向内凹的凹台，并且该凹台延伸至中心调节锥本体110的椎体位置，气相沉积钨层120覆盖至中心调节锥本体110的凹台和椎体位置。
本申请还提供了一种推力可调固体发动机，其燃烧室壳体内设置有上述实施例提供的中心调节锥，并且该中心调节锥覆盖有气相沉积钨的一端可插向喷管的喉部。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种推力可调固体发动机的中心调节锥，其特征在于，包括：中心调节锥本体和气相沉积于所述中心调节锥本体外表面上气相沉积钨层，并且所述气相沉积钨层覆盖所述中心调节锥本体的椎体位置，或者所述气相沉积钨层覆盖所述中心调节锥本体的椎体位置以及与所述椎体位置连接的部分或全部圆柱体位置。
2.根据权利要求1所述的推力可调固体发动机的中心调节锥，其特征在于，所述气相沉积钨层的厚度根据推力可调固体发动机的工作时间的长短、推力可调固体发动机的推进剂、推力可调固体发动机燃烧室壳体内的工作压强确定。
3.根据权利要求2所述的推力可调固定发动机的中心调节锥，其特征在于，所述推力可调固体发动机的工作时间为100s，则所述中心调节锥的气相沉积钨层的厚度是2mm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的推力可调固体发动机的中心调节锥，其特征在于，所述中心调节锥本体为C/C中心调节锥本体。
5.根据权利要求4所述的推力可调固体发动机的中心调节锥，其特征在于，所述C/C中心调节锥本体通过支撑调节结构将其支撑于推力可调固体发动机的燃烧室壳体内。
6.根据权利要求4所述的推力可调固体发动机的中心调节锥，其特征在于，所述C/C中心调节锥本体的热膨胀系数与所述气相沉积钨层的热膨胀系数匹配。
7.根据权利要求1-3任一项所述的推力可调固体发动机的中心调节锥，其特征在于，所述中心调节锥本体的圆柱体的位置具有向内凹的凹台，并且所述凹台延伸至所述中心调节锥本体的椎体位置，所述气相沉积钨层覆盖至所述中心调节锥本体的凹台和椎体位置。
8.一种推力可调固体发动机，其特征在于，包括上述权利要求1-7任一项所述的中心调节锥，所述中心调节锥设置于燃烧室壳体内，并且覆盖有气相沉积钨的一端可插向喷管的喉部。
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