CN115075986B - 一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置及其工作方法，装置包括燃烧室和喷管，燃烧室的出口连接固定体，固定体靠近燃烧室的一侧设置绝热结构；固定体和绝热结构中心设置球状活动体，活动体与固定体及绝热结构配合形成球窝结构；活动体与固定体之间形成间隙II，活动体与绝热结构之间形成间隙I；在活动体内开设空腔I和多个通孔I；在固定体的内部开设空腔II和多个通孔II；空腔I和空腔II内均用于填充膨胀润滑脂，膨胀润滑脂用于在受热膨胀后进入间隙II和间隙I中，以使活动体悬浮于固定体和绝热结构中。其解决了现有球窝喷管的固定体和活动体之间易产生局部磨损或变形、以及密封结构复杂度高的问题。

Description

一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置及其工作方法

技术领域

本发明属于喷气推进装置技术领域，具体涉及一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置及其工作方法。

背景技术

喷管是火箭发动机喷气推进装置上重要的部件，常见的有球窝喷管，其结构简单应用广泛。球窝喷管的结构主要包括固定体和活动体。球窝结构既是活动连接件，又是载荷支撑件。在喷气推进装置的工作载荷下，固定体和活动体是点或线接触，接触位置处受力面会产生局部磨损或变形，当变形超过许可范围，则造成摆动力矩增大，增加推力向量控制的难度。受结构质量和体积限制，强化接头的材料是比较难实现的。

另外，现有的球窝喷管的球窝结构处因为采用间隙装配，燃烧室的燃气容易从间隙泄露从而降低发动机性能，同时高温燃气对球窝结构的烧蚀作用会进一步加快间隙变大，进一步加快火箭发动机性能降低的速度。现有技术通常是通过设计复杂的密封结构来尽可能减小漏气，但是这种密封结构增加了喷管结构的复杂度，而且可靠性不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置及其工作方法，以解决现有球窝喷管的固定体和活动体之间易产生局部磨损或变形、以及密封结构复杂度高的问题。

本发明采用的第一种技术方案是，一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置，喷气推进装置包括燃烧室和喷管，燃烧室的出口连接环形结构的固定体，固定体靠近燃烧室的一侧同轴设置有环形结构的绝热结构；固定体和绝热结构中心设置一球状活动体，活动体与固定体及绝热结构配合形成球窝结构；活动体与喷管同轴连接，燃烧室经活动体与喷管连通；

活动体与固定体之间为间隙配合且形成间隙II，活动体与绝热结构之间为间隙配合且形成间隙I；在活动体内开设空腔I，在活动体的壁面上开设有多个通孔I，通孔I用于连通空腔I和间隙II；在固定体的内部开设空腔II，在固定体的壁面上开设有多个通孔II，通孔II用于连通空腔II和间隙II；

空腔I和空腔II内均用于填充膨胀润滑脂，膨胀润滑脂用于在受热膨胀后进入间隙II和间隙I中，以使得活动体悬浮于固定体和绝热结构中。

进一步的，活动体的外侧球面为阳球面，固定体上、且与阳球面靠近的表面为阴球面II，绝热结构上、且与阳球面靠近的表面为阴球面I；阳球面与阴球面II同球心，阳球面与阴球面I同球心。

进一步的，间隙I的宽度小于间隙II的宽度。

进一步的，活动体的空腔I连通设置有一用于注入膨胀润滑脂的进口I，进口I上设置有堵盖I；固定体的空腔II连通设置有一用于注入膨胀润滑脂的进口II，进口II上设置有堵盖II。

进一步的，喷管的外壁通过多个伺服机构连杆连接至固定体上。

本发明采用的第二种技术方案是，一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置的工作方法，包括以下步骤：

经进口I向活动体的空腔I中注入膨胀润滑脂，再用堵盖I将进口I封闭；经进口II向固定体的空腔II中注入膨胀润滑脂，再用堵盖II将进口II封闭；

喷气推进装置点火，燃烧室中产生高温燃气，使膨胀润滑脂受热膨胀，膨胀润滑脂经各个通孔I和各个通孔II进入间隙II中，进而进入间隙I中，以使活动体悬浮于固定体和绝热结构中；

通过控制各个伺服机构连杆来调节喷气推进装置的喷管的摆动。

进一步的，空腔I和空腔II内的膨胀润滑脂流出消耗之后，空腔I和空腔II内的压力均小于间隙II处的压力时，活动体与固定体和绝热结构的悬浮状态消失。

本发明的有益效果是：本发明一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置在球窝结构中使用了膨胀润滑脂后，可以使活动体悬浮于固定体和绝热结构里，避免了固定体和活动体的点或线接触，大大减小了固定体和活动体的磨损，使得两者之间的受力更加均匀，解决了因固定体和活动体的局部磨损或变形而引起摆动力矩增大的问题，从而减小了推力向量的控制难度，还解决了因此带来的喷气推进装置效率降低的问题，延长了火箭喷气推进装置的使用寿命。同时，膨胀润滑脂在压力的作用下，会从间隙I处进入燃烧室的腔体内部，这样就阻止了燃烧室内的高温燃气从间隙I流出，实现了对球窝结构的有效密封，无需额外设计复杂的密封结构。

附图说明

图1为本发明一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置的结构示意图；

图2为本发明一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置中活动体、固定体和绝热结构三者配合关系的局部放大图；

图3为图1中A处的放大图。

其中：1.活动体，11.阳球面，12.通孔I，13.进口I，14.堵盖I，15.空腔I；

2.固定体，21.阴球面II，22.通孔II，23.进口II，24.堵盖II，25.空腔II；

3.绝热结构，31.阴球面I；

4.伺服机构连杆，5.间隙I，6.间隙II，7.燃烧室，8.喷管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置，如图1所示，喷气推进装置包括燃烧室7和喷管8，燃烧室7的出口连接环形结构的固定体2，环形结构是指在固定体2内部环绕设置的封闭空腔。固定体2靠近燃烧室7的一侧同轴设置有环形结构的绝热结构3，环形结构是指在绝热结构3内部环绕设置的封闭空腔。绝热结构3可以粘接固定在固定体2上，绝热结构3采用耐烧蚀复合材料制成。

固定体2和绝热结构3的中心处设置一球状的活动体1，活动体1可以为标准球体或具有球面的球状结构。活动体1与固定体2和绝热结构3之间配合形成球窝结构。活动体1同轴且可拆卸的连接至喷管8，活动体1的中心设有贯通的通道，通过该通道使得活动体1与喷管8之间可以连通。燃烧室7通过球窝结构与喷管8连接，且燃烧室7通过活动体1上的通道与喷管8连通。固定体2与燃烧室7可拆卸连接，即固定体2相对于燃烧室7为固定不动的状态。

如图3所示，活动体1与固定体2之间为间隙配合且形成间隙II6，活动体1与绝热结构3之间为间隙配合且形成间隙I5。如图2所示，在活动体1内开设空腔I15，在活动体1的壁面上并列开设有多个通孔I12，各个通孔I12用于连通空腔I15和间隙II6。在固定体2的内部开设空腔II25，在固定体2的壁面上开设有多个通孔II22，各个通孔II22用于连通空腔II25和间隙II6。通孔I12可以采用在活动体1壁面上并列设置多组的形式布置。

空腔I15和空腔II25内均用于填充膨胀润滑脂。膨胀润滑脂一般属于合成膨胀润滑脂，含有高浓度的聚四氟乙烯润滑颗粒，耐高温抗压能力强，适合高温重载设备，此氟素高温膨胀润滑脂专用于高温、高负载、化学腐蚀环境中的轴承以及要求终身润滑的部件。使用本发明一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置之前，先向空腔I15和空腔II25内填充膨胀润滑脂，膨胀润滑脂在常温状态时为半固态。膨胀润滑脂在球窝结构升温后，其体积会受热膨胀，接下来便会进入间隙II6和间隙I5中。随着压力的升高，位于间隙I5处的膨胀润滑脂将会流向燃烧室7腔体内部，位于间隙II6处的膨胀润滑脂将流向燃烧室7之外的外界环境。

在一些实施例中，如图3所示，活动体1的外侧球面为向外凸出的阳球面11，固定体2上、且与阳球面11靠近的表面为向内凹陷的阴球面II21，绝热结构3上、且与阳球面11靠近的表面为向内凹陷的阴球面I31。阳球面11与阴球面II21同球心，阳球面11与阴球面I31同球心。

在一些实施例中，如图3所示，间隙I5的宽度小于间隙II6的宽度。活动体1的阳球面11与固定体2的阴球面II21之间的间隙即为间隙II6，活动体1的阳球面11与绝热结构3的阴球面I31之间的间隙即为间隙I5。

实际中通常将间隙II6的宽度设置为0.5-3mm，而间隙I5的宽度数值位于间隙II6宽度数值的1/3~2/3之间。将间隙II6的宽度设置的相对较大的目的是，可以让更多的膨胀润滑脂进入到间隙II6中，进而让活动体1可以实现完全悬浮状态。将间隙I5的宽度设置的相对较小的目的是，可以尽可能的减少燃烧室7内的高温燃气窜入间隙I5中。

在一些实施例中，如图2所示，活动体1的空腔I15连通设置有一用于注入膨胀润滑脂的进口I13，进口I13上设置有堵盖I14；固定体2的空腔II25连通设置有一用于注入膨胀润滑脂的进口II23，进口II23上设置有堵盖II24。通过在空腔I15和空腔II25上增设可开启的结构后，可以实现膨胀润滑脂的后续补充功能。

在一些实施例中，如图1所示，喷管8的外壁通过多个伺服机构连杆4连接至固定体2上。实际中，喷管8的外壁可以均布四个可伸缩的液压伺服机构连杆4，通过协调控制四个液压伺服机构连杆4的长度伸缩，可以实现对喷管8的方向调控。

本发明还提供了一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置的工作方法，包括以下步骤：

第一步、经进口I13向活动体1的空腔I15中注入膨胀润滑脂，再用堵盖I14将进口I13封闭；经进口II23向固定体2的空腔II25中注入膨胀润滑脂，再用堵盖II24将进口II23封闭。常温状态下，空腔I15和空腔II25内的膨胀润滑脂不会进入到间隙II6和间隙I5中。

第二步、喷气推进装置点火，燃烧室7中产生高温燃气，由于球窝结构直接接触高温燃气，其结构温度会很快升高。高温燃气使球窝结构处温度迅速升高，达到数百摄氏度，膨胀润滑脂受热膨胀、并经各个通孔I12和各个通孔II22分别进入间隙II6，再进入间隙I5，以实现活动体1悬浮于固定体2和绝热结构3中的状态。

具体的，膨胀润滑脂的体积因受热而膨胀，并使得空腔I15和空腔II25内的压力升高，当空腔I15和空腔II25内压力升高至超过喷管8外侧的大气环境的压力后，膨胀润滑脂会喷入间隙II6中，然后再喷入喷管8外侧的大气环境中；当空腔I15和空腔II25内的压力超过燃烧室7内部的压力时，膨胀润滑脂就会喷入间隙I5中，然后再进入燃烧室7内，并燃烧消耗掉。由于间隙I5处的膨胀润滑脂会流向燃烧室7腔体内部，间隙II6处的膨胀润滑脂会流向燃烧室7之外的外界环境，通过这种方式实现了对球窝结构的密封。

第三步、通过控制各个伺服机构连杆4来调节喷管8的摆动。喷气推进装置对喷管8进行方向调控、来实现推力的矢量控制。

在一些实施例中，喷气推进装置工作结束，随着空腔I15和空腔II25内的膨胀润滑脂流出之后，当空腔I15和空腔II25内的压力均小于间隙II6处的压力时，活动体1与固定体2和绝热结构3的悬浮状态消失。如果膨胀润滑脂在喷气推进装置工作结束之前消耗完，虽然球窝结构的悬浮状态已经消失，但此后依然可以进行喷管矢量的常规控制。实际使用中，膨胀润滑脂的注入量是根据矢量喷管的调控时间需求来设计的，即就是更多的润滑脂量可以满足更长的悬浮调控有效时间。

由于无法避免的加工误差与装配误差原因，现有的常规球窝喷管结构实际上是点或线接触，而非球面接触，本发明一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置使用了膨胀润滑脂后，可以使活动体1悬浮于固定体2和绝热结构3里，避免了固定体和活动体的点或线接触，大大减小了固定体和活动体的磨损，使得两者之间的受力更加均匀，解决了因固定体和活动体的局部磨损或变形而引起摆动力矩增大的问题，从而减小了推力向量的控制难度，还解决了因此带来的喷气推进装置效率降低的问题，延长了火箭喷气推进装置的使用寿命。

本发明一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置间隙I5和间隙II6处的膨胀润滑脂压力，通常为燃烧室7内气压的2倍以上，在压力的作用下，间隙I5处的膨胀润滑脂会进入燃烧室7的腔体内部，这样就阻止了燃烧室7内的高温燃气从间隙I5流出，实现了对球窝结构的有效密封，无需额外设计复杂的密封结构。同时，由于喷气推进装置自身的高温会对膨胀润滑脂进行加热，使得膨胀润滑脂自身具有高压，就无需额外复杂的增压系统，结构简单，重量轻，可靠性高。

本发明的一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置工作时，燃烧室的温度达到上千度，高温环境使得膨胀润滑脂受热升温，从初始的半固态经液态转变为气态。气态的膨胀润滑脂的温度是远低于燃烧室内高温燃气的温度，所以气态的膨胀润滑脂对球窝结构的间隙I5和间隙II6处也有一定的冷却作用。

Claims (7)

1.一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置，其特征在于，所述喷气推进装置包括燃烧室（7）和喷管（8），所述燃烧室（7）的出口连接环形结构的固定体（2），所述固定体（2）靠近所述燃烧室（7）的一侧同轴设置有环形结构的绝热结构（3）；所述固定体（2）和所述绝热结构（3）的中心设置一球状活动体（1），所述活动体（1）与所述固定体（2）及所述绝热结构（3）配合形成球窝结构；所述活动体（1）与所述喷管（8）同轴连接，所述燃烧室（7）经所述活动体（1）与所述喷管（8）连通；

所述活动体（1）与所述固定体（2）之间为间隙配合且形成间隙II（6），所述活动体（1）与所述绝热结构（3）之间为间隙配合且形成间隙I（5）；在所述活动体（1）内开设空腔I（15），在所述活动体（1）的壁面上开设有多个通孔I（12），所述通孔I（12）用于连通所述空腔I（15）和所述间隙II（6）；在所述固定体（2）的内部开设空腔II（25），在所述固定体（2）的壁面上开设有多个通孔II（22），所述通孔II（22）用于连通所述空腔II（25）和间隙II（6）；

所述空腔I（15）和所述空腔II（25）内均用于填充膨胀润滑脂，所述膨胀润滑脂用于在受热膨胀后进入所述间隙II（6）和所述间隙I（5）中，以使得所述活动体（1）悬浮于所述固定体（2）和绝热结构（3）中。

2.如权利要求1所述的一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置，其特征在于，所述活动体（1）的外侧球面为阳球面（11），所述固定体（2）上、且与所述阳球面（11）靠近的表面为阴球面II（21），所述绝热结构（3）上、且与所述阳球面（11）靠近的表面为阴球面I（31）；所述阳球面（11）与所述阴球面II（21）同球心，所述阳球面（11）与所述阴球面I（31）同球心。

3.如权利要求1或2所述的一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置，其特征在于，所述间隙I（5）的宽度小于所述间隙II（6）的宽度。

4.如权利要求3所述的一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置，其特征在于，所述活动体（1）的空腔I（15）连通设置有一用于注入膨胀润滑脂的进口I（13），所述进口I（13）上设置有堵盖I（14）；所述固定体（2）的空腔II（25）连通设置有一用于注入膨胀润滑脂的进口II（23），所述进口II（23）上设置有堵盖II（24）。

5.如权利要求4所述的一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置，其特征在于，所述喷管（8）的外壁通过多个伺服机构连杆（4）连接至所述固定体（2）上。

6.一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置的工作方法，其特征在于，基于权利要求5所述的一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置，包括以下步骤：

经所述进口I（13）向所述活动体（1）的空腔I（15）中注入膨胀润滑脂，再用所述堵盖I（14）将所述进口I（13）封闭；经所述进口II（23）向所述固定体（2）的空腔II（25）中注入膨胀润滑脂，再用所述堵盖II（24）将所述进口II（23）封闭；

喷气推进装置点火，所述燃烧室（7）中产生高温燃气，使所述膨胀润滑脂受热膨胀，所述膨胀润滑脂经各个所述通孔I（12）和各个所述通孔II（22）进入所述间隙II（6）中，进而进入所述间隙I（5）中，以使所述活动体（1）悬浮于所述固定体（2）和绝热结构（3）中；

通过控制各个所述伺服机构连杆（4）来调节所述喷管（8）的摆动。

7.如权利要求6所述的一种基于悬浮球窝喷管的喷气推进装置的工作方法，其特征在于，所述空腔I（15）和所述空腔II（25）内的膨胀润滑脂流出之后，当所述空腔I（15）和所述空腔II（25）内的压力均小于间隙II（6）处的压力时，所述活动体（1）与所述固定体（2）和所述绝热结构（3）的悬浮状态消失。

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