CN112539116A - 一种变喉径变扩张比喷管结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变喉径变扩张比喷管结构，包括主喷管和副喷管，主喷管外壁固连固体推进剂发动机，尾端径向向外凸起，内壁型面满足大喉径、小扩张比状态要求；副喷管外壁中段有径向凸起，凸起位置之前的外壁与主喷管内壁贴合，副喷管内壁型面满足小喉径、大扩张比状态要求；副喷管前段装配到主喷管内，主喷管外壁凸起与副喷管外壁凸起贴合，并通过卡环瓣组扣合固连；卡环瓣组由分立的若干卡环瓣构成一个封闭的圆环，各卡环瓣之间通过爆炸螺栓连接。本发明结构简单，控制方便，可实现一次改变喷管喉径和扩张比。

Description

一种变喉径变扩张比喷管结构

技术领域

本发明涉及民用固体推进剂发动机领域，尤其是一种实现能量管理的喷管结构。

背景技术

随着现代民用固体推进剂发动机的发展，为实现一箭多用任务特性，固体推进剂发动机的能量(推力)管理(变化)研究成为一个重要发展方向。而变喉径变扩张比 喷管结构是实现固体推进剂发动机能量管理的一种关键技术。

经查新，喷管变喉径变扩张比的途径在国内、外都有一定研究，并取得相应成果。在国外，美、俄等西方国家在该技术方面处于世界领先水平，其中，美国在旋转阀门 变喉径、针栓喷管变喉径、涡流阀门变喉径等方面技术相对成熟，变扩张比结构研究 主要应用于高轨发动机的可延伸扩张锥。目前，国内的科工六院、科技四院、西工大 等在针栓喷管变喉径、涡流阀变喉径、旋转阀门等方面有一定的研究，在可延伸扩张 锥结构方面也有相应的研究与应用，但在工程应用方面与世界发达军事大国相比还存 在相当的差距。

我国现有的变喉径喷管结构多采用针栓结构和涡流阀结构，针栓喷管结构是通过电机或燃气驱动针栓棒在喷管喉部中间往复运动，实现对燃气流通通道的堵塞和开启， 从而实现变喉径功能。这种结构多用于姿态控制或变轨控制发动机。涡流阀结构是将 高压冷气流或热燃气流通过石墨阀的喉部切向孔喷入喉道，在喉道部为形成漩涡，形 成气动缩颈喉道，实现喷管变喉径功能。该结构多用于变喉径理论与基础实验研究。 变扩张比喷管结构多用于高轨发动机的可延伸扩张锥。针栓喷管结构目前多采用电机 驱动控制，存在电机外置、驱动结构复杂、成本高、控制模块复杂等缺点；涡流阀喷 管结构多采用冷气或热燃气涡流驱动，存在喉衬结构复杂、加工困难，驱动气流管路 外置、防热与结构复杂，气流控制阀门精度不高等缺点，限制了涡流阀在工程领域的 应用；而可延伸出口锥已经在高轨道发动机上得到较广泛的应用，但其存在的驱动结 构重量附加问题一直存在。

由于民用航天动力系统特殊需求，要求变喉径变扩张比喷管具有结构简单、控制方便、有一次性应用等特点，现有技术的结构均不能完全满足上述要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种变喉径变扩张比喷管结构，分别设计喉径和扩张比的独立喷管，通过可分离机构连接成一体，通过抛离小喉径喷管实现一 次改变喉径和变扩张比。本发明结构简单，控制方便，可实现一次改变喷管喉径和扩 张比，用于民用固体推进剂发动机中，满足固体推进剂发动机对能量管理的需求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种变喉径变扩张比喷管结构，包括主喷管和副喷管。

所述的主喷管外壁固连固体推进剂发动机，尾端径向向外凸起，内壁型面满足大喉径、小扩张比状态要求；所述的副喷管外壁中段有径向凸起，凸起位置之前的外壁 与主喷管内壁贴合，副喷管内壁型面满足小喉径、大扩张比状态要求；所述的副喷管 前段装配到主喷管内，主喷管外壁凸起与副喷管外壁凸起贴合，并通过卡环瓣组扣合 固连；所述的卡环瓣组由分立的若干卡环瓣构成一个封闭的圆环，各卡环瓣之间通过 爆炸螺栓连接。

所述的副喷管外壁与主喷管内壁之间设置有环向密封圈。

所述的主喷管包括主喷管壳体、主喷管喉衬和主喷管内衬，主喷管壳体外壁与固体推进剂发动机固连，内壁安装主喷管内衬；主喷管内衬内壁安装有主喷管喉衬，与 主喷管内衬共同构成收敛段。

所述的主喷管壳体采用超高强度钢30CrMnSiA，主喷管内衬采用高硅氧/酚醛玻璃钢材料，主喷管喉衬采用石墨材料。

所述的副喷管包括副喷管壳体、副喷管扩张内衬、副喷管背衬和副喷管头帽，副喷管壳体内壁安装有副喷管扩张内衬，副喷管壳体和副喷管扩张内衬前端安装有副喷 管头帽，副喷管头帽与副喷管壳体之间通过副喷管背衬隔热。

所述的副喷管壳体外壁在径向凸起位置之前开有环形密封槽，槽内安装柔性石墨密封圈。

所述的卡环瓣组由3瓣截面呈开口楔形的卡环瓣连接，开口形状与主喷管、副喷管外壁凸起组合呈的凸台外形吻合。

所述的卡环瓣材料采用超高强度钢30CrMnSiA。

本发明的有益效果是：在变推力发动机的试验中，变喉径变扩张比喷管结构实现了对推力大小的控制。

本发明通过设计变喉径变扩张比喷管结构，避免了针栓喷管、涡流阀喷管的复杂作动结构；避免了控制模块、供电系统和控制系统的复杂系统，结构简单、紧凑，原 理清晰，可靠性高。

变喉径变扩张比喷管结构技术是我国民用航天发动机能量管理的关键技术之一。该发明为未来高性能民用航天动力系统的发展奠定重要试验技术基础。

本发明采用的材料均国产化，来源广泛，工艺性好，加工周期较短，产品合格率高，成本低，一致性好。

附图说明

图1是本发明在小喉道、大扩张比工作状态的结构示意图；

图2是本发明在大喉道、小扩张比状态工作状态的结构示意图；

图中，1-主喷管内衬，2-主喷管喉衬，3-主喷管壳体，4-柔性石墨密封圈，5-卡环瓣，6-爆炸螺栓，7-副喷管壳体，8-副喷管扩张内衬，9-副喷管背衬，10-副喷管头帽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供一种结构简单的变喉径变扩张比喷管结构，具有结构简单、控制方便等特点。

本发明所述的一种变喉径变扩张比喷管结构在发动机工作时，根据飞行任务需求， 在飞行器工作初期需要大推力、高压力工作时，喷管提供小喉径、大扩张比状态；在 飞行器工作中期到末期，根据飞行任务的需求不同，在某时刻需求小推力、续航飞行 时，喷管变为大喉径、小扩张比状态；同时在喷管全工作时间内，喷管密封结构可靠。

本发明的变喉径变扩张比喷管结构主要由主喷管组件、副喷管组件、卡环瓣组、爆炸螺栓组和密封圈等组成。喷管工作初期，副喷管组件与主喷管组件通过卡环瓣组 连接为一体，密封圈密封，爆炸螺栓紧固，喷管提供小喉径、大扩张比状态；喷管工 作中期到末期，爆炸螺栓接收指令炸开，卡环瓣组解除紧固状态，副喷管承压作用在 卡环瓣的楔形面，产生径向向外的张力，卡环瓣脱离连接面，副喷管在内压作用下抛 离主喷管，喷管变为大喉径、小扩张比状态。详见图1。

变喉径变扩张比喷管结构通过主喷管壳体3上的螺纹与固体推进剂发动机连接，发动机燃气首先进入主喷管内衬1与主喷管喉衬2构成的收敛段，然后流经副喷管头 帽10构成的喉部，最后从副喷管扩张内衬8的扩张段流出；主、副喷管采用柔性石墨 密封圈4密封，密封槽位于副喷管壳体7上；副喷管防热采用背衬9和扩张段内衬8 共同防热，主喷管防热通过主喷管内衬1进行防热；主、副喷管的连接采用3瓣截面 呈开口楔形的卡环瓣5连接，3瓣卡环瓣两两之间采用爆炸螺栓6紧固。

主喷管壳体(3作为主喷管结构主体，起到与发动机连接、承担燃气高压的作用，并通过粘接在壳体内的主喷管内衬1对高温隔热。在高压大扩张比工作状态，主喷管 喉衬2喉道起定位、密封面作用；在低压小扩张比工作状态，主喷管喉衬2起到抗烧 蚀和喷管喉道作用。主喷管壳体3采用超高强度钢30CrMnSiA，主喷管内衬1采用高 硅氧/酚醛玻璃钢材料，主喷管喉衬2采用石墨材料。

在高压大扩张比工作状态，副喷管壳体7作为副喷管的结构主体，起到与主喷管定位、密封和承压做作用，副喷管背衬9、副喷管扩张内衬8粘接在副喷管壳体内壁， 起到隔热作用，副喷管头帽10粘接在副喷管背衬与副喷管扩张内衬内壁，起喉道入口 与喉道作用。在低压小扩张比状态，副喷管整体被抛离。

卡环瓣组5是主、副喷管连接件，通过其楔形开口将主、副喷管壳体连接在一起。爆炸螺栓6起连接卡环瓣的作用，3个卡环瓣两两之间通过爆炸螺栓连接为一体，并 锁定在主、副喷管连接裙上。卡环瓣材料采用超高强度钢30CrMnSiA，爆炸螺栓采用 制式产品。

本发明实施例的结构参数如下：

变喉径变扩张比喷管轮廓尺寸：Φ201mm×207mm；

燃气入口直径：Φ166mm；

收敛半角：45°；

小喉道入口圆弧：ra＝10mm；

小喉道喉径：dt＝38mm；

小喉道扩张半角：18°；

小喉道大扩张比：10.846；

小喉道大扩张比喷管总长：207mm；

大喉道入口圆弧：Ra＝40mm；

大喉道喉径：Dt＝76mm；

大喉道扩张半角：15°；

大喉道扩张比：1.786；

大喉道小扩张比喷管总长：130mm；

爆炸螺栓直径：M12；

点火电流：5A～10A；

安全电流：1A1W5min不发火。

变喉径变扩张比喷管从小喉道大扩张比过渡到大喉道小扩张比工作时，首先3个爆炸螺栓6接收指令触发爆炸，卡环瓣组5两两之间的锁紧状态变为解锁自由状态，- 副喷管壳体7承受的燃气内压力形成的轴向力作用在卡环瓣5的楔形面上，产生径向 向外的张力，该张力促使3瓣卡环瓣5向外脱离主、副喷管壳体的连接裙边，柔性石 墨密封圈4、副喷管壳体7、副喷管扩张内衬8、副喷管背衬9、副喷管头帽10从主喷 管内衬1、主喷管喉衬2、主喷管壳体3内脱离，形成大喉道小扩张比状态。该发明是 变喉径变扩张比喷管一体结构。

Claims (8)

1.一种变喉径变扩张比喷管结构，包括主喷管和副喷管，其特征在于，所述的主喷管外壁固连固体推进剂发动机，尾端径向向外凸起，内壁型面满足大喉径、小扩张比状态要求；所述的副喷管外壁中段有径向凸起，凸起位置之前的外壁与主喷管内壁贴合，副喷管内壁型面满足小喉径、大扩张比状态要求；所述的副喷管前段装配到主喷管内，主喷管外壁凸起与副喷管外壁凸起贴合，并通过卡环瓣组扣合固连；所述的卡环瓣组由分立的若干卡环瓣构成一个封闭的圆环，各卡环瓣之间通过爆炸螺栓连接。

2.根据权利要求1所述的变喉径变扩张比喷管结构，其特征在于，所述的副喷管外壁与主喷管内壁之间设置有环向密封圈。

3.根据权利要求1所述的变喉径变扩张比喷管结构，其特征在于，所述的主喷管包括主喷管壳体、主喷管喉衬和主喷管内衬，主喷管壳体外壁与固体推进剂发动机固连，内壁安装主喷管内衬；主喷管内衬内壁安装有主喷管喉衬，与主喷管内衬共同构成收敛段。

4.根据权利要求3所述的变喉径变扩张比喷管结构，其特征在于，所述的主喷管壳体采用超高强度钢30CrMnSiA，主喷管内衬采用高硅氧/酚醛玻璃钢材料，主喷管喉衬采用石墨材料。

5.根据权利要求1所述的变喉径变扩张比喷管结构，其特征在于，所述的副喷管包括副喷管壳体、副喷管扩张内衬、副喷管背衬和副喷管头帽，副喷管壳体内壁安装有副喷管扩张内衬，副喷管壳体和副喷管扩张内衬前端安装有副喷管头帽，副喷管头帽与副喷管壳体之间通过副喷管背衬隔热。

6.根据权利要求5所述的变喉径变扩张比喷管结构，其特征在于，所述的副喷管壳体外壁在径向凸起位置之前开有环形密封槽，槽内安装柔性石墨密封圈。

7.根据权利要求1所述的变喉径变扩张比喷管结构，其特征在于，所述的卡环瓣组由3瓣截面呈开口楔形的卡环瓣连接，开口形状与主喷管、副喷管外壁凸起组合呈的凸台外形吻合。

8.根据权利要求7所述的变喉径变扩张比喷管结构，其特征在于，所述的卡环瓣材料采用超高强度钢30CrMnSiA。

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