CN112211754A - 一种新型固体火箭发动机矢量控制结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型固体火箭发动机矢量控制结构，涉及火箭发动机技术领域。本发明主要对尾喷管进行改进。将拉伐尔喷管拆分为收敛段和扩张段两个部分，两者通过一个球形铰接接头连接，收敛段作为固定座而扩张段作为活动件，使得喷管可以进行一定摆角内的摆动，提供较大的侧向控制力来实现发动机的矢量控制。另外将发动机喷管扩张段设计为具有类波浪形排气道的异型单面膨胀喷管，使一部分气流从排气道喷出，确保推力无较大损耗和旋转稳定性的同时可以有效控制径向方向速度，从而提升对发动机发射射程和方位的控制。

Description

一种新型固体火箭发动机矢量控制结构

技术领域

本发明属于火箭发动机技术领域，具体涉及一种新型固体火箭发动机矢量控制结构。

背景技术

固体火箭发动机属于化学火箭发动机，用固态物质(能源和工质)作为推进剂。固体推进剂点燃后在燃烧室中燃烧，产生高温高压的燃气，即把化学能转化为热能；燃气经喷管膨胀加速，热能转化为动能，以极高的速度从喷管排出从而产生推力向前飞行。固体火箭发动机是是各种武器的动力装置，同时其在航空航天领域也有广泛的应用。它的结构比较简单，具有机动性、可靠性和较易维护性的优点，极大的满足了现代战争和航空航天事业的要求。

排气喷管是发动机是发动机推力的主要产生部件，在飞行马赫数6时，它产生的推力可达到发动机总推力的70％左右，排气喷管的设计好坏直接影响整个发动机的性能，由于固体火箭发动机的飞行包线，为了达到最好的喷管内部性能，要求喷管的落压比达到数百甚至上千，膨胀比达到几十。传统的轴对称喷管存在膨胀面的机械限制和密封机制等问题，这使得喷管的最大膨胀比无法满足要求。针对固体火箭发动机喷管的这一缺陷，本发明优化了尾喷管的结构对固体火箭发动机的性能及发展十分必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种新型固体火箭发动机矢量控制结构。与现有的技术结构相比，本发明的优点是运用了一种球形铰接接头来连接收敛段和扩张段喷管，并将扩张段喷管作为一个活动件可以通过控制其摆角来进行矢量控制。且固定座与活动件球面之间有一定间隙，以补偿二者之间热膨胀之差，防止高温下活动件被卡住。将尾喷管设计成单面膨胀喷管且在斜面处设计了类波浪形排气孔，不仅克服了轴对称喷管的机械限制达到了更高的膨胀比，增设的排气孔使得发动机获得了径向的速度，也可在产生激波时减小附面层的影响。

技术方案

本发明的目的在于提供一种新型固体火箭发动机矢量控制结构，它能够有效控制尾喷管的摆角，并可获得径向速度，实现发动机矢量控制。

本发明技术方案如下：

一种新型固体火箭发动机矢量控制结构，包括球形铰接接头、异型单边膨胀喷管、类波浪形排气道，其特征在于：基于传统小型固体火箭发动机结构及作用，本发明将喷管扩张段设计为可摆动式喷管，出口截面设置为斜面，形成单面膨胀喷管，产生径向速度，实现矢量控制。

所述球形铰接接头，其特征在于：喷管的活动件与固定座之间有一球形连接座，喷管可在球形座内绕轴摆动；固定座与活动件球面之间有一定间隙，以补偿二者之间热膨胀之差，防止高温下活动件被卡住。球型座用“O”形密封圈进行密封，固定座与活动件之间用铰接接头连接，该接头由转轴与轴承组成。该结构简单不需要特殊材料和工艺，成本较低且摆角较大，能提供较大的侧向控制力。

所述异型单边膨胀喷管，其特征在于：喷管从扩张段中部开始形成单边膨胀，而前半段依旧是正常的扩张段，应用了主动流动控制技术，在不明显增加所需能量的前提下，采用了简单的管道形状设计以及增设排气道等技术获得了极高的膨胀比，从而实现了在获取径向速度的同时保持飞行器的高排气性能。

本发明具有以下有益效果：

这种固体火箭发动机矢量控制结构，只是在原有喷管的基础上进行了优化和改进。喷管喉部处的球形铰接接头可以根据控制指令的要求用机械的方法改变排气的喷出方向，从而改变推力的方向，使之产生一个与飞行器轴线垂直的控制力矩，用以控制飞行姿态。发动机喷管处设计可摆动铰接接头虽然无法保证喷管的密闭性，但能提供较大的侧向控制力。喷管扩张下端设计成截面排气结构，形成单面膨胀型喷管，可以有效控制径向方向速度，相比复杂的矢量喷口而言，结构更为简单，但可以起到同样的矢量控制效果，保证发动机性能。

附图说明

图1：一种新型固体火箭发动机矢量控制结构主视图

图2：一种新型固体火箭发动机矢量控制结构前视图

图3：一种新型固体火箭发动机矢量控制结构后视图

图4：一种新型固体火箭发动机矢量控制结构侧视图

图5：一种新型固体火箭发动机矢量控制结构剖视图

图中：1-收敛段，2-球形铰接座，3-扩张段，4-单边斜截面，5-排气通道。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步描述：

结合图1、图2、图3、图4、图5，本发明为一种新型固体火箭发动机矢量控制结构。图1为一种新型固体火箭发动机矢量控制结构主视图，图2为一种新型固体火箭发动机矢量控制结构前视图，图3为一种新型固体火箭发动机矢量控制结构后视图，图4为一种新型固体火箭发动机矢量控制结构侧视图，图5为一种新型固体火箭发动机矢量控制结构剖视图。

在喷管前端经点火器点火与药柱燃料氧化剂的燃烧产生的高温气流进入非潜入式喷管的固定件收敛段1进行加速压缩，通过球形铰接座2连接两部件组成的喷管喉道之后进入扩张段3开始膨胀。由于单边截面4的作用，扩张段后半段进行的是单面膨胀，使喷管不受传统轴对称喷管的机械限制和密封机制等问题影响，从而获得极高的膨胀比。除此之外，一部分气流经过波浪形排气通道5流出发动机，这一部分的气流用来给予发动机一个径向的速度，可以使飞行器在飞行时获得一个更好的射程及发射方位。也可以通过这些排气道抽离一部分附面层减小激波对发动机的损害。球形铰接座2也可以根据控制指令的要求使用铰接接头，机械地改变喷管的摆角来改变排气气流方向，从而改变推力的方向，使之产生一个与飞行器轴线垂直的控制力拒，用以控制飞行器的飞行姿态。

Claims (4)

1.一种新型固体火箭发动机矢量控制结构，包括球形铰接接头、异型单边膨胀喷管、类波浪形排气道，其特征在于：基于传统小型固体火箭发动机结构及作用，本发明将喷管收敛段设计为固定座，扩张段设计为可摆动式喷管，出口截面下半部分设置为平面并在其上开出排气道，形成单面膨胀喷管，达到径向速度控制。

2.根据权利要求1所述的一种新型固体火箭发动机矢量控制结构，其特征在于：所设计的喷管收敛段与扩张段由一种球形铰接接头连接。铰接接头可以使活动件扩张段在一个摆角内摆动，且固定座与活动件球面之间有一定间隙，以补偿二者之间热膨胀之差，防止高温下活动件被卡住。

3.根据权利要求1所述的一种新型固体火箭发动机矢量控制结构，其特征在于：尾喷管的扩张段被设计成了异型单边膨胀喷管，与普通的单边膨胀喷管不同之处在于从扩张段中部开始形成单边膨胀，而前半段依旧是正常的扩张段，从而获得更高的膨胀比。

4.根据权利要求1和权利要求3所述的一种新型固体火箭发动机矢量控制结构，其特征在于：所设计的单边斜面上开有类波浪形的排气通道，排气通道由一排六边形气孔组合而成，气孔的内切圆半径为10mm,转动角度为90°，使气孔的一个顶角对准来流方向，每段的排气道长度不同是为了防止径向的气动力对飞行器的飞行有负面影响。

Images