CN111379646A - 3d打印整体式单组元推力器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D打印整体式单组元推力器，包括头部和身部，所述头部设置于所述身部的上方，所述头部的顶部设置有上法兰，所述头部的底部设置有下法兰、所述头部内从上到下依次设置有入口集液腔、入口导流锥、毛细管，所述下法兰上设有喷注盘，所述喷注盘的喷注面从上到下依次设置有细隔网和粗隔网，所述头部的外侧设置有隔热框，所述入口集液腔和所述入口导流锥用于均匀分配来流推进剂，所述毛细管用于将推进剂均匀输送至所述喷注盘，所述喷注盘、所述细隔网和所述粗隔网用于将推进剂沿所述喷注面的方向均匀分布和破碎，所述身部从上到下依次设置有前床催化剂、中隔板、后床催化剂、后床支板、喷管收敛段和喷管扩张段。
Description
技术领域
本发明涉及单组元推力器技术领域，更具体地说是指一种3D打印整体式单组元推力器。
背景技术
传统单组元推力器含有18个零组件、5条熔焊缝、数十条钎焊缝，具有零件数量多、加工工艺复杂，涉及薄壁毛细管钎焊工艺、薄壁毛细管冷弯曲工艺、数十根毛细管集束装配工艺、钎焊后毛细管薄壁机加工艺等特种技术，需要特种设备、工装模具、生产效率较低、后期产品质量检查工艺复杂等一系列问题，已不适应于快速、大批量、低成本单组元推力器研制及生产需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种3D打印整体式单组元推力器。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种3D打印整体式单组元推力器，包括头部和身部，所述头部设置于所述身部的上方，所述头部的顶部设置有上法兰，所述头部的底部设置有下法兰、所述头部内从上到下依次设置有入口集液腔、入口导流锥、毛细管，所述下法兰上设有喷注盘，所述喷注盘的喷注面从上到下依次设置有细隔网和粗隔网，所述头部的外侧设置有隔热框，所述入口集液腔和所述入口导流锥用于均匀分配来流推进剂，所述毛细管用于将推进剂均匀输送至所述喷注盘，所述喷注盘、所述细隔网和所述粗隔网用于将推进剂沿所述喷注面的方向均匀分布和破碎，所述身部从上到下依次设置有前床催化剂、中隔板、后床催化剂、后床支板、喷管收敛段和喷管扩张段，所述中隔板用于支撑所述前床催化剂，所述后床支板用于支撑所述后床催化剂，所述中隔板和所述后床支板为六边形蜂窝结构或圆形多孔结构，所述前床催化剂和所述后床催化剂用于将所述毛细管输入的推进剂催化分解成热燃气，所述喷管收敛段和喷管扩张段用于加速喷出热燃气并产生推力。
其进一步技术方案为：所述上法兰、所述入口集液腔、所述入口导流锥、所述毛细管、所述隔热框、所述下法兰和所述喷注盘为激光3D打印整体成型的一体化结构。
其进一步技术方案为：所述前床催化室、所述后床催化室、所述喷管收敛段和所述喷管扩张段为激光3D打印整体成型的一体化结构。
其进一步技术方案为：所述中隔板和所述后床支板为激光3D打印整体成型的一体化结构。
其进一步技术方案为：所述入口导流锥的顶部与所述入口集液腔连通，所述入口导流锥的底部与所述毛细管连通。
其进一步技术方案为：所述中隔板、所述身部的内壁和所述头部的底部围合形成所述前床催化室，所述后床支板、所述身部的内壁和所述中隔板围合形成所述后床催化室，所述前床催化剂为细颗粒高活性催化剂，所述后床催化剂为粗颗粒低活性催化剂。
其进一步技术方案为：所述喷管收敛段由所述后床支板的底部向所述喷管扩张段收缩形成一倒锥台状的结构。
其进一步技术方案为：所述喷管扩张段由所述喷管收敛段的末端向外扩张形成一喇叭状的结构。
其进一步技术方案为：所述下法兰向外延伸有多个第一支耳，所述第一支耳上设有用于与整机配合安装的第一支耳孔。
其进一步技术方案为：所述上法兰向外延伸有多个第二支耳，所述第二支耳上设有用于与阀门配合安装的第二支耳孔。
本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明一种3D打印整体式单组元推力器通过在身部设置前床催化室和后床催化室，将头部毛细管输入的推进剂催化分解成热燃气，通过设置喷管收敛段和喷管扩张段加速喷出热燃气。推进剂首先进入头部，经毛细管进入前床催化室催化分解，再进入后床催化室继续催化分解成热燃气，然后通过喷管收敛段和喷管扩张段膨胀加速喷出做功。本3D打印整体式单组元推力器采用头部与身部一体化设计，整体结构简单，具有零组件少、强度高和生产效率高等优点。采用激光3D打印成型技术，加工工艺简化，减少了焊缝，提高了整体强度，适应于快速、大批量、低成本单组元推力器研制及生产需求。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明技术手段，可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，详细说明如下。
附图说明
图1为3D打印整体式单组元推力器的示意图；
图2为3D打印整体式单组元推力器的剖视图；
图3为喷注盘的放大图；
图4为3D打印整体式单组元推力器头部的剖视图；
图5为3D打印整体式单组元推力器头部的示意图；
图6为中隔板的结构示意图；
图7为中隔板的结构示意图。
附图标记
100、头部；101、毛细管；102、入口集液腔；103、入口导流锥；104、喷注盘；105、细隔网；106、粗隔网；107、第一支耳；108、第一支耳孔；109、第二支耳；110、第二支耳孔；111、上法兰；112、密封槽；113、下法兰；114、隔热框；200、身部；201、前床催化室；202、后床催化室；203、喷管收敛段；204、喷管扩张段；205、中隔板；206、后床支板；207、细颗粒高活性催化剂；208、粗颗粒低活性催化剂；209、测压嘴。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
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案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。
如图1至图7所示，一种3D打印整体式单组元推力器，包括头部100和身部200，头部100设置于身部200的上方，头部100的顶部设置有上法兰111，头部100的底部设置有下法兰113、头部100内从上到下依次设置有入口集液腔102、入口导流锥103、毛细管101，下法兰113上设有喷注盘104，喷注盘104的喷注面从上到下依次设置有细隔网和粗隔网，头部100的外侧设置有隔热框114，入口集液腔102和入口导流锥103用于均匀分配来流推进剂，毛细管101用于将推进剂均匀输送至喷注盘104，喷注盘104、细隔网105和粗隔网106用于将推进剂沿喷注面的方向均匀分布和破碎，身部200从上到下依次设置有前床催化剂、中隔板205、后床催化剂、后床支板206、喷管收敛段203和喷管扩张段204，中隔板205用于支撑前床催化剂，后床支板206用于支撑后床催化剂，中隔板205和后床支板206为六边形蜂窝结构或圆形多孔结构，前床催化剂和后床催化剂用于将毛细管101输入的推进剂催化分解成热燃气，喷管收敛段203和喷管扩张段204用于加速喷出热燃气并产生推力。整个3D打印整体式单组元推力器结构简单，具有零组件少、强度高和生产效率高等优点，适应于快速、大批量、低成本单组元推力器研制及生产需求。采用蜂窝六边形的结构或圆形多孔的结构，在高温条件下强度依然很高，高温工作可靠性显著提高。解决了现有后床支撑板为金属骨架加金属丝网，其结构强度低、高温条件下网子容易烧蚀破碎，导致催化剂大量损失，催化剂床空穴等严重问题。
具体地，上法兰111、入口集液腔102、入口导流锥103、毛细管101、隔热框114、下法兰113和喷注盘104为激光3D打印整体成型的一体化结构，加工工艺简化，减少了焊缝，提高了整体强度。
具体地，前床催化室201、后床催化室202、喷管收敛段203和喷管扩张段204为激光3D打印整体成型的一体化结构，加工工艺简化，减少了焊缝，提高了整体强度。
具体地，中隔板205和后床支板206为激光3D打印整体成型的一体化结构，加工工艺简化，减少了焊缝，提高了整体强度。
具体地，如图2至图4所示，入口导流锥103的顶部与入口集液腔102连通，入口导流锥103的底部与毛细管101连通。推进剂首先进入入口集液腔102，通过入口导流锥103将推进剂均匀分配至毛细管101，推进剂通过喷注盘104点焊的细隔网和粗隔网破碎推进剂，破碎后推进剂进入前床催化室201催化分解，通过设置细隔网105和粗隔网106对推进剂进行破碎使推进剂催化更加充分。
具体地，如图4所示，毛细管101的外周设有隔热框114，根据3D打印支撑要求，将隔热框114和法兰113设计成不大于45°锥形支撑型面。
具体地，为降低结构应力，将各形面连接处设计倒圆。
具体地，针对激光3D打印扫描路径，将毛细管101内孔设计成六边形。
具体地，头部100采用3D打印整体成型，避免了毛细管101冷弯和钎焊工艺，避免了隔热框114线切割工艺，具有零组件少、结构强度高等优点。
具体地，如图2所示，中隔板205、身部200的内壁和头部100的底部围合形成前床催化室201，后床支板206、身部200的内壁和中隔板205围合形成后床催化室202，前床催化剂为细颗粒高活性催化剂207，后床催化剂为粗颗粒低活性催化剂208。通过依次采用细颗粒高活性催化剂207和粗颗粒低活性催化剂208对破碎的推进剂进行催化，使得推进剂能够催化完全。
具体地，如图2所示，喷管收敛段203由后床支板206的底部向喷管扩张段204收缩形成一倒锥台状的结构。
具体地，如图2所示，喷管扩张段204由喷管收敛段203的末端向外扩张形成一喇叭状的结构，使得热燃气能够膨胀加速喷出做功。喷管收敛段203末端的直径小于喷管扩张段204末端的直径。本3D打印整体式单组元推力器通过喷管收敛段203末端的直径和喷管扩张段204末端的直径限定比冲和真空推力。
具体地，前床催化室201、后床催化室202、喷管收敛段203和喷管扩张段204进行集成式设计、一体化打印成型，零组件数量显著减少，由传统方案约18个零组件降低至9个零组件，由传统方案精车、钻孔、铣、线切割、冷态弯管、钎焊、激光焊、点焊、手氩焊、热处理等10余种工艺简化至仅需要3D打印、精车、钻孔和激光焊5种工艺，减少焊缝、提高了身部200整体强度。
具体地，如图2所示，身部200一侧设置有用于测压的测压嘴209，测压嘴209与身部200连通。
具体地，身部200通过采用3D一体化打印成型，身部200高温区安全系数由原先的2.1提高至3.4。
具体地，如图5所示，下法兰113向外延伸有多个第一支耳107，第一支耳107上设有用于与整机配合安装的第一支耳孔108。
具体地，第一支耳107的数量为三个。
在另一具体实施例中，第一支耳107的数量可为四个、五个或六个等多种设置。
具体地，如图5所示，上法兰111向外延伸有多个第二支耳109，第二支耳109上设有用于与阀门配合安装的第二支耳孔110。
具体地，第二支耳109的数量为三个。
在另一具体实施例中，第二支耳109的数量可为四个、五个或六个等多种设置。
具体地，如图5所示，上法兰111设有密封槽112，密封槽112内设有O形橡胶密封圈，与阀门连接时起到密封作用。
与现有技术相比，本发明一种3D打印整体式单组元推力器通过在身部设置前床催化室和后床催化室，将头部毛细管输入的推进剂催化分解成热燃气，通过设置喷管收敛段和喷管扩张段加速喷出热燃气。推进剂首先进入头部，经毛细管进入前床催化室催化分解，再进入后床催化室继续催化分解成热燃气，然后通过喷管收敛段和喷管扩张段膨胀加速喷出做功。本3D打印整体式单组元推力器采用头部与身部一体化设计，整体结构简单，具有零组件少、强度高和生产效率高等优点。采用激光3D打印成型技术，加工工艺简化，减少了焊缝，提高了整体强度，适应于快速、大批量、低成本单组元推力器研制及生产需求。
上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种3D打印整体式单组元推力器，其特征在于，包括头部和身部，所述头部设置于所述身部的上方，所述头部的顶部设置有上法兰，所述头部的底部设置有下法兰、所述头部内从上到下依次设置有入口集液腔、入口导流锥、毛细管，所述下法兰上设有喷注盘，所述喷注盘的喷注面从上到下依次设置有细隔网和粗隔网，所述头部的外侧设置有隔热框，所述入口集液腔和所述入口导流锥用于均匀分配来流推进剂，所述毛细管用于将推进剂均匀输送至所述喷注盘，所述喷注盘、所述细隔网和所述粗隔网用于将推进剂沿所述喷注面的方向均匀分布和破碎，所述身部从上到下依次设置有前床催化剂、中隔板、后床催化剂、后床支板、喷管收敛段和喷管扩张段，所述中隔板用于支撑所述前床催化剂，所述后床支板用于支撑所述后床催化剂，所述中隔板和所述后床支板为六边形蜂窝结构或圆形多孔结构，所述前床催化剂和所述后床催化剂用于将所述毛细管输入的推进剂催化分解成热燃气，所述喷管收敛段和喷管扩张段用于加速喷出热燃气并产生推力。
2.根据权利要求1所述的3D打印整体式单组元推力器，其特征在于，所述上法兰、所述入口集液腔、所述入口导流锥、所述毛细管、所述隔热框、所述下法兰和所述喷注盘为激光3D打印整体成型的一体化结构。
3.根据权利要求1所述的3D打印整体式单组元推力器，其特征在于，所述前床催化室、所述后床催化室、所述喷管收敛段和所述喷管扩张段为激光3D打印整体成型的一体化结构。
4.根据权利要求1所述的3D打印整体式单组元推力器，其特征在于，所述中隔板和所述后床支板为激光3D打印整体成型的一体化结构。
5.根据权利要求1所述的3D打印整体式单组元推力器，其特征在于，所述入口导流锥的顶部与所述入口集液腔连通，所述入口导流锥的底部与所述毛细管连通。
6.根据权利要求1所述的3D打印整体式单组元推力器，其特征在于，所述中隔板、所述身部的内壁和所述头部的底部围合形成所述前床催化室，所述后床支板、所述身部的内壁和所述中隔板围合形成所述后床催化室，所述前床催化剂为细颗粒高活性催化剂，所述后床催化剂为粗颗粒低活性催化剂。
7.根据权利要求1所述的3D打印整体式单组元推力器，其特征在于，所述喷管收敛段由所述后床支板的底部向所述喷管扩张段收缩形成一倒锥台状的结构。
8.根据权利要求1所述的3D打印整体式单组元推力器，其特征在于，所述喷管扩张段由所述喷管收敛段的末端向外扩张形成一喇叭状的结构。
9.根据权利要求1所述的3D打印整体式单组元推力器，其特征在于，所述下法兰向外延伸有多个第一支耳，所述第一支耳上设有用于与整机配合安装的第一支耳孔。
10.根据权利要求1所述的3D打印整体式单组元推力器，其特征在于，所述上法兰向外延伸有多个第二支耳，所述第二支耳上设有用于与阀门配合安装的第二支耳孔。
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