CN113153581B - 一种使用可延展材料包覆充流管道结构的柔性双钟型喷管 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用可延展材料包覆充流管道结构的柔性双钟型喷管，本发明以双钟型喷管为基础，使用柔性伸展的弹性材料，结合充流支撑管道，实现了喷管扩张段的自由展开和变形。本发明首先能在一定的高度范围内同步调整扩张比，与海拔高度相匹配，达到实时高度补偿的效果；其次能在不同高度下保证气动型面的高效性，两点结合可以提升喷管的性能。

Description

一种使用可延展材料包覆充流管道结构的柔性双钟型喷管

技术领域

本发明涉及航空宇航技术领域，具体为一种使用可延展材料包覆充流管道结构的柔性双钟型喷管。

背景技术

飞行器动力装置设计中，经济性和效率是首要考虑因素。在商业发射领域，提高推进效率能够降低发射成本；在军工领域，提高推进效率，能提高有效载荷。所以，提高飞行器推进装置的推进效率一直是研究领域内的前沿课题。

在喷管截面固定时，飞行器推进系统存在一个设计高度。在设计高度下，喷管中的燃气能够完全膨胀，喷管效率最高。然而，在以重型级联运载火箭入轨为例的飞行器跨空域飞行任务时，环境压力严重偏离喷管设计点压力存在低效、交变受热受力及烧蚀等问题问题，影响航天器的性能及安全性。

因为传统喷管在非设计高度下效率较低，所以提出了高度补偿喷管的概念。根据补偿方式的不同，可以将高度补偿喷管分为塞式喷管、双喉部喷管、可延伸喷管、双钟型喷管以及膨胀偏流喷管等多种形式。其中，双钟型喷管存在结构简单、工作可靠性高、扩张比可变等优点，具有良好的发展前景。

随着飞行器飞行高度的变化，型面固定的双钟型喷管内部产生复杂非稳态波系和涡系，导致不必要的侧向载荷和局部热点；此外双钟型喷管只存在地面和高空两个离散孤立的设计工况，过渡高度的非设计工况存在着性能损失和抖振等复杂问题。故在双钟型喷管概念基础上，将柔性可延展材料与具备一定结构强度的充气管路相结合，便形成了新的柔性可展开喷管。

发明内容

本发明的目的在于实现任意高度喷管内气流的完全膨胀的一种一种使用可延展材料包覆充流管道结构的柔性双钟型喷管。

本发明的目的是这样实现的：

一种使用可延展材料包覆充流管道结构的柔性双钟型喷管，包括潜入式喷管刚性段、非金属扩张段3和喷管柔性段，所述潜入式喷管刚性段包括潜入段主体和金属扩张段1，潜入段主体中前喉衬11和后喉衬10位于后封头外，前喉衬11与后封头过渡段12连接，后封头过渡段12与后封头壳体21连接，后封头壳体21上通过双头螺柱固定有贮箱20，刚性管路14进口与贮箱20相连，依次沿后封头内衬22、后封头过渡段12、前喉衬11、喉衬10、金属扩张段1、非金属扩张段3至出口与轴向充流软管17相连，轴向充流软管17与刚性管路14通过连接件16连接，弹性耐烧蚀层19主要位于喷管出口与柔性段内壁，所述喷管柔性段采用内外双层柔性膜，中间包覆充流软管的结构；软管使用波纹管，可沿径向伸长，在柔性段环向均布18组软管，两根为一组，同时每组中的两根略倾斜于喷管母线并与母线对称；喷管柔性段后喉衬10与金属扩张段1连接；所述非金属扩张段3与金属扩张段1两者的法兰通过螺纹连接。本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述柔性段采用Z字形折叠。

2.柔性段内型面设置有一层抗烧蚀涂层。

3.贮箱20出口与阀门之间的管路采用金属材料，流体从贮箱流出，先经过喷管喉部，再流向阀门。

4.所述喷管收敛段采用潜入式结构，可以有效减少喷管长度。

5.所述后封头在壳体内部增加一层防热内衬。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.喷管可延伸部分采用柔性材料，保证扩张段型面和出口扩张比随海拔受控变化，实现从地面至高空的实时完全膨胀，有效提高喷管全空域性能。

2.充流软管结构技术成熟，采用该结构与驱动工质实现喷管的展开与扩张，实时支撑和调控气动型面至完全膨胀，提高了系统的可靠性。

3.充流软管与柔性膜均为空心结构，结构质量轻，减小系统负载。

4.在柔性段和喉口段都涂有耐热、耐烧蚀涂层，可以有效保护喷管内型面，柔性段涂层吸收热量的方式以液化流动和蒸发吸热为主，保证展开过程不会烧蚀柔性段主体结构。充气软管中的驱动工质也具备带走部分热量的潜力。

5.展开结构的驱动源为置于贮箱中流体工质，装置结构简单、可靠性高。

附图说明

图1是本发明的飞行原理图。

图2是本发明的展开状态随工作过程变化示意图。

图3是本发明的结构剖面图。

图4是本发明的充气软管排布示意图。

图5是本发明的充气软管节点图。

图6是本发明的柔性段锁紧示意图。

图7是本发明的锁紧释放机构示意图。

图8是本发明的整体结构示意图。

图9是本发明的充流管路阀门结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明提供的一种使用可延展材料包覆充流管道结构的柔性双钟型喷管，包括潜入式柔性喷管的刚性段、燃烧室后封头、柔性喷管充流管路结构和喷管柔性段。

图1为可展开喷管与双钟型喷管的飞行原理图。

参见图1，图示虚线上部分为柔性喷管，下部分为双钟型喷管。其中1是柔性喷管的金属扩张段、2是折叠后的喷管柔性段、3是非金属扩张段、4是剪切层、5是喷管出口外的斜激波、6是马赫盘、7是回流的气流流线、8是双钟型喷管的第二个扩张段、9是双钟型喷管的第一个扩张段。

在宽范围空域内，柔性喷管能够实现气体的完全膨胀，在喷管内部不产生激波；在同样空域条件，双钟型喷管出现过膨胀现象，管内有复杂波系及回流，削弱了喷管推力性能。

图2为飞行各阶段柔性喷管展开程度的示意图。

参见图2，I为点火后，在海平面高度的喷管示意图，此时柔性喷管内气流完全膨胀，而双钟型喷管内气流过膨胀，产生回流；II为柔性喷管未完全展开状态下的示意图，该过程与工作时间相比较短暂，可认为瞬间完成；III为完全展开状态的喷管示意图，此时充流装置启动，使柔性段具有一定的结构刚度；IV为充流完全的喷管示意图，依据飞行环境，充气实现柔性喷管的型面变化，实现喷管效率达到最优。

图3是喷管基体的剖面图。

参见图3，其中3是非金属扩张段、1是金属扩张段、10是喉衬、11是前喉衬、12是喷管与后封头过渡段、13是后封头壳体与贮箱连接件、14是刚性管路、15为柔性膜、16是刚性管路与充流软管连接件、17是轴向充流软管、18是环向充流软管、19是弹性耐烧蚀层、20是环形贮箱、21是后封头壳体、22是后封头内衬。

非金属扩张段采用非金属材料3，目的是有效粘接柔性膜15；金属扩张段1，该扩张段采用金属材料，除了能够耐烧蚀，也能提供一定的结构强度。柔性喷管的刚性段前端需伸入后封头内部，后封头过渡段12内侧是潜入式喷管的外型面，内侧与后封头粘接，达到连接喷管主体和后封头的目的；前喉衬11是潜入式喷管的收敛段，长度较短，故烧蚀情况较轻，可以采用价格较低廉的酚醛树脂材料，而喉衬10位于喷管的喉部段，此处烧蚀最严重，因此采用抗烧蚀性能强的钨渗铜材料，并将体积设计较小以节约成本，同时为了强化喉衬部分的热防护能力，喉衬10、前喉衬11、后封头过渡段12，均需加涂一层烧蚀材料，通过汽化吸热和热分解反应保护喷管喉部；后封头壳体13与贮箱连接件，采用双头螺柱连接；14是刚性管路，管路进口与贮箱相连，依次沿后封头内衬22、后封头过渡段12、前喉衬11、喉衬10、金属扩张段1、非金属扩张段3至出口与轴向充流软管17相连；柔性膜15用于调整喷管外型面；轴向充流软管17与刚性管路14通过连接件16过渡；环向充流软管18用于约束柔性喷管径向形变；弹性耐烧蚀层19主要位于喷管出口与柔性段内壁，用于缓解集中载荷，内壁有耐烧蚀涂层；贮箱20用于储存驱动工质；喷管的后封头由两部分组成，一是确定后封头形状和基本型面的后封头壳体21，二是依附于后封头壳体21内部，用来防止燃气和熔渣烧蚀具有绝热作用的后封头内衬22。

图4是柔性喷管内充流软管布局的示意图(正视于喷管入口)。

参见图4，轴向充流软管共计36根，两根一组沿周向均布，同时在相交节点处布置环向充流软管。轴向充流软管在流体工质进入后可提供结构刚度，环向软管用来约束喷管径向形变。

图5是充气软管节点图。

参见图5，三根充气软管组成一个节点，相互搭接。

图6是柔性段锁紧示意图。

参见图6，D是锁紧与释放装置。喷管柔性段在工作前需采用Z字形折叠方案收起，防止对喷管流场产生干扰。柔性段折叠至喷管非金属扩张段，并采用金属环进行固定，锁紧与释放装置为记忆合金制动装置。

图7是记忆合金制动装置示意图。

参见图7，23是高强度螺栓、24是分离所用的缺口、25是高强度垫圈、26是高强度螺母、27是记忆合金制动件、28是电加热器和隔热层、29是分离面。

利用记忆合金在加温时相变造成的形状改变，产生释放所需的作用力。28-电加热器和隔热层工作时生热，并保障记忆合金不受外界热源影响，27-记忆合金制动件为预压缩圆筒，加热时伸长，最终把高强度螺栓23拉断而释放螺栓连接。高强度螺栓23上有一个分离所用的缺口24，以减少记忆合金圆柱所需的行程并保证在分离面29断开。

图8展示了柔性喷管的整体结构。

参见图8，其中30是由多层抗烧蚀材料包覆充气管路组成的喷管柔性段。31是潜入式柔性喷管的刚性段(固定段)、21是燃烧室后封头壳体。

图9是充流管路阀门结构示意图。

参见图9，其中32是电控主路，33是电控支路，34是充流管路，35是电控阀门。阀门未工作时处于常闭状态，工作时依靠电源产生的电信号切换至开启状态。图3中的B结构与图8中的C结构展示了阀门的位置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种使用可延展材料包覆充流管道结构的柔性双钟型喷管，其特征是：包括潜入式喷管刚性段、非金属扩张段(3)和喷管柔性段，所述潜入式喷管刚性段包括潜入段主体和金属扩张段(1)，潜入段主体中前喉衬(11)和后喉衬(10)位于后封头外，前喉衬(11)与后封头过渡段(12)连接，后封头过渡段(12)与后封头壳体(21)连接，后封头壳体(21)上通过双头螺柱固定有贮箱(20)，刚性管路(14)进口与贮箱(20)相连，依次沿后封头内衬(22)、后封头过渡段(12)、前喉衬(11)、喉衬(10)、金属扩张段(1)、非金属扩张段(3)至出口与轴向充流软管(17)相连，轴向充流软管(17)与刚性管路(14)通过连接件(16)连接，弹性耐烧蚀层(19)主要位于喷管出口与柔性段内壁，所述喷管柔性段采用内外双层柔性膜，中间包覆充流软管的结构；软管使用波纹管，可沿径向伸长，在柔性段环向均布18组软管，两根为一组，同时每组中的两根略倾斜于喷管母线并与母线对称；喷管柔性段后喉衬(10)与金属扩张段(1)连接；所述非金属扩张段(3)与金属扩张段(1)两者的法兰通过螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的一种使用可延展材料包覆充流管道结构的柔性双钟型喷管，其特征是：所述柔性段采用Z字形折叠。

3.根据权利要求1或2所述的一种使用可延展材料包覆充流管道结构的柔性双钟型喷管，其特征是：柔性段内型面设置有一层抗烧蚀涂层。

4.根据权利要求1所述的一种使用可延展材料包覆充流管道结构的柔性双钟型喷管，其特征是：所述贮箱(20)出口与阀门之间的管路采用金属材料，流体从贮箱流出，先经过喷管喉部，再流向阀门。

5.根据权利要求1所述的一种使用可延展材料包覆充流管道结构的柔性双钟型喷管，其特征是：所述喷管刚性段采用潜入式结构，可以有效减少喷管长度。

6.根据权利要求1所述的一种使用可延展材料包覆充流管道结构的柔性双钟型喷管，其特征是：所述后封头在壳体内部增加一层防热内衬。

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