CN116291954B - 一种可重复使用的高效能量转化固体火箭推力装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于固体火箭发动机技术领域，具体公开了一种可重复使用的高效能量转化固体火箭推力装置，包括：燃烧室、药柱、点火器和一体式喷管组件，燃烧室的端盖中心位置开设有安装孔，燃烧室另一端设置有安装座；药柱设置在燃烧室内部，药柱包括一体成型的圆柱段和圆台段，圆柱段的端部与端盖粘接，圆台段沿燃烧室的推力方向直径减小，点火器与安装孔螺纹密封连接；一体式喷管组件与安装座螺纹密封连接，一体式喷管组件上开设有若干个喷管。本发明通过药柱的变径设计降低了燃烧室壳体的温升，为推力装置的重复使用提供了条件，采用多个小喷管一体化结构设计在减小推力装置体积的同时也实现推力装置的化学能高效转化为动能。

Description

一种可重复使用的高效能量转化固体火箭推力装置

技术领域

本发明属于固体火箭发动机技术领域，特别涉及一种可重复使用的高效能量转化固体火箭推力装置。

背景技术

固体火箭发动机以推力大、响应快、推力精确等优势作为推力装置大量应用于武器系统、无人机发射、油气开采、工程爆破以及紧急救援等领域，但因其安全性问题都作为一次性产品使用，比如，在使用时，燃烧室内部温度超过3000℃，高温导致燃烧室或喷管过热烧蚀，存在不可重复使用的缺点，导致使用成本较高，并且在药柱点燃后，燃烧室的气压增大，为了保证较高的能量转化效率，一般采用较长的喷管，使得固体火箭发动机体积较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中体积大、无法重复使用的缺陷，提供一种可重复使用的高效能量转化固体火箭推力装置。

本发明提供了一种可重复使用的高效能量转化固体火箭推力装置，包括：

燃烧室，所述燃烧室为两端开口的中空圆柱结构，所述燃烧室的一端设置有端盖，燃烧室另一端设置有安装座，所述端盖与所述燃烧室可拆卸密封连接，且所述端盖中心位置开设有通孔，并沿所述通孔向燃烧室内部延伸设置有安装孔；所述燃烧室远离所述端盖的一端内壁开设有螺纹构成所述安装座；

药柱，所述药柱设置在所述燃烧室内部，所述药柱外壁与所述燃烧室内壁之间形成气流通道，所述气流通道为变截面通道；所述气流通道内药柱燃烧的燃通比在100以下；

点火器，所述点火器安装在所述安装孔内，且伸入所述药柱的中空部位，用于点燃所述药柱；

一体式喷管组件，所述一体式喷管组件与所述安装座螺纹密封连接，所述一体式喷管组件上开设有若干个喷管，所述喷管与所述燃烧室内部连通。

进一步的方案为，所述药柱包括一体成型的圆柱段和圆台段，且所述药柱为中空结构；所述圆柱段的端部与所述端盖粘接，所述圆台段沿所述燃烧室的推力方向直径减小。

进一步的方案为，所述圆台段的锥面与底面的夹角为30～85°。

进一步的方案为，所述燃烧室的侧壁厚度沿所述燃烧室的推力方向逐渐增大。

进一步的方案为，所述燃烧室的内侧壁与燃烧室的外侧壁截面夹角为1～12°。

进一步的方案为，所述药柱的两个端面均设置有阻燃层，所述阻燃层与所述药柱的两个端面粘接。

进一步的方案为，所述燃烧室为超高强度钢材料。

进一步的方案为，所述超高强度钢材料为45钢或30CrMnSiA。

进一步的方案为，所述一体式喷管组件均匀开设有五个喷管。

进一步的方案为，所述安装孔的内壁开设有螺纹，所述点火器与所述安装孔螺纹密封连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

固体火箭推力发动机在点燃药柱时，燃烧室内部处于高温高压的状态，在将高温高压的燃气作为推力输出时，为了提高能量的转化效率，期望在将高温高压燃气喷出喷管的过程中，高温高压燃气的压强尽可能接近外部大气压，因此，需要增加喷管的长度，但是会导致发动机体积过大，本申请中采用一体式喷管组件，通过开设多个喷管同时喷射，一方面提高了能量转化效率，另一方面也减小了发动机的整体体积。

点火器产生高温燃气点燃药柱时，高温高压的燃气沿推力方向迅速移动，在移动过程中伴随着气体的膨胀，本申请将药柱设计为一体成型的圆柱和圆台结构，在高压燃气沿推力方向移动（燃烧室轴向移动）过程中，气流经过圆台段时，可以减小气流径向膨胀的速率，使得气流径向膨胀的速度小于轴向移动的速度，进而减少了径向的高温高压燃气与燃烧室内壁的接触力，同时减小了高温高压燃气对燃烧室内壁的压力，也就降低了高温高压燃气与燃烧室内壁的热交换，使得尽可能多的热量转化为推力，在提高能量转化的同时也可以降低燃烧室内壁的温升，为燃烧室的重复利用提供了必要条件。

在高温高压的燃气径向膨胀过程中，由于随着推力方向膨胀的速率越来越快，换热量也越来越大，因此，为了进一步降低燃烧室内壁的抗高温性，本申请中将燃烧室的侧壁厚度沿推力方向逐渐增大，燃烧室侧壁每升高1℃可吸收更多的热量，在燃烧室侧壁换热量大的区域增加燃烧室侧壁的厚度，同时也避免了燃烧室局部温度过高。

附图说明

以下附图仅对本发明作示意性的说明和解释，并不用于限定本发明的范围，其中：

图1：固体火箭推力装置外部结构示意图；

图2：固体火箭推力装置剖面结构示意图；

图3：图2中A部放大图；

图4：图2中B部放大图；

图中：1、燃烧室；2、药柱；3、点火器；4、一体式喷管组件；5、喷管；6、燃气通道；7、端盖；8、安装座。

实施方式

为了使本发明的目的、技术方案、设计方法及优点更加清楚明了，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示，本发明提供了一种可重复使用的高效能量转化固体火箭推力装置，通过推力装置外壁面与外部冷空气流的传热仿真计算分析可知外部空气在1分钟～5分钟内对工作结束后的推力装置散热效率，可对推力装置温度降低5℃～10℃；结合推力装置内部结构及气动换热设计，迭代推力装置外部空气散热，实现推力装置工作过程中及工作后最高升温10℃～100℃范围，不超出常用的金属材料如45钢或30CrMnSiA等超高强度钢材料的强度衰减温度，确保推力装置可重复使用。具体结构包括：

燃烧室1，所述燃烧室1的一端设置有端盖7，燃烧室1另一端设置有安装座8，所述端盖7与所述燃烧室1可拆卸密封连接，且所述端盖7中心位置开设有通孔，并沿所述通孔向燃烧室1内部延伸设置有安装孔，所述安装孔的内壁开设有螺纹；所述燃烧室1为两端开口的中空圆柱结构，所述燃烧室1远离所述端盖7的一端内壁开设有螺纹，构成所述安装座8，所述燃烧室1的侧壁厚度沿所述燃烧室1的推力方向逐渐增大；本申请推力装置设计过程中采用传热仿真迭代分析，可知高温燃气与燃烧室1的最大换热区域位于燃烧室1的尾部，且换热区域从燃烧室1头部向尾部逐渐增大，将燃烧室壳体壁面当作散热通道，热量通过燃烧室壳体壁厚截面快速传递，通过燃烧室变壁厚的结构设计，使燃烧室形成不同面域的传热通道。如图4所示，确保推力装置的最大换热区域以较高的传热速率快速将热量传导至低温部位，实现推力装置所有部位基本同温，解决传统固体火箭发动机因局部出现高温导致燃烧室1的壳体和防热部件不可再次重复使用的问题，实现推力装置内部热交换量最小且热交换均衡，将燃烧室1的壁厚沿着推力装置轴向从尾部向头部逐渐减薄（从横截面S1→S7），在本实施例中，燃烧室1的内侧壁与燃烧室1的外侧壁截面的夹角（图4中L1和L2的夹角）为1～12°。高温高压燃气在S1横截面处与燃烧室1热交换最剧烈，在传统推力装置（等壁厚）中该部位燃烧室壳体从燃气中吸收的热量最多，因此将燃烧室壳体S1横截面处壁厚设计为最厚，较厚的燃烧室壳体在S1截面部位形成了较大的传热通道（S7截面部位为最小传热通道截面，此部位为传统等壁厚推力装置的低温区），因此燃烧室1吸收的热量能够快速通过图示横截面S1依次传递到S7的低温区域，吸热量大的部位散热通道大、吸热量小的部位散热通道小、燃烧室1头部不吸热的部位为热量消散区域，从而使得整个推力装置壳体温度基本相同，均处于较低升温水平。燃烧室1设计为金属壳体结构，选用45钢或30CrMnSiA等超高强度钢材料，通过燃烧室内流场仿真，优化燃烧室气动参数，降低燃通比至100以下，大大降低燃烧室壳体对高温高压燃气产生的流动阻尼，使燃烧室最大燃气流速降低至5m/s以下，大幅降低了高温燃气对燃烧室的热交换系数。

药柱2，本申请设计药柱2为侧面燃烧，因此，药柱2的两个端面均粘接有阻燃层；所述药柱2设置在所述燃烧室1内部，所述药柱2包括一体成型的圆柱段和圆台段，且所述药柱2为中空结构；所述圆柱段的端部与所述端盖7粘接，所述圆台段沿所述燃烧室1的推力方向直径减小；具体的，圆台段的锥面与底面的夹角(图3中∠α)为30～85°。如图3所示，燃烧室1和药柱2之间的空隙部位为推力装置高温高压气流的燃气通道6，通过燃烧室壳体和药柱2的形状设计，将燃气通道6横截面面积设计为变截面通道，即燃气通道6从前向后沿着推力装置轴线方向（从横截面H1→H4）逐渐增大，以保证燃气通道6的每个横截面中（从横截面H1→H4），药柱2燃烧产生的燃气质量流率与横截面面积的比值基本恒定，且小于100，从而大幅降低了燃气与燃烧室金属壳体表面的热交换系数，即高温燃气在燃气通道6内每个横截面与燃烧室金属壳体的热交换量达到较低水平。

点火器3，所述点火器3与所述安装孔螺纹密封连接，用于点燃所述药柱2；

一体式喷管组件4，所述一体式喷管组件4与所述安装座8螺纹密封连接，所述一体式喷管组件4上开设有5个喷管5，具体的，一体式喷管组件4为圆柱结构，其中1个喷管5沿圆柱结构的轴线开设，另外4个喷管5均匀围设在中间的喷管5四周。

其中，点火器3采用军用或民用制式产品，与燃烧室1采用螺纹连接、密封胶密封，采用高可靠性高压快速点火模式。药柱2采用大量成熟应用的双基推进剂或改双基推进剂，与燃烧室1采用粘接方式进行装配。一体式喷管组件4通过多喷管的结构形式实现大扩张比、高压燃气完全膨胀技术，实现化学能在有限空间尺寸内高效转化动能，一体式喷管组件4由金属壳体和防热内衬组成，与燃烧室1采用螺纹连接、密封胶密封，金属壳体采用常用的低成本材料45钢或30CrMnSiA，防热内衬采用耐烧蚀、耐高温的碳纤维/酚醛模压材料，确保喷管在推力装置工作过程中不烧蚀、温度升高不超过100℃。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种可重复使用的高效能量转化固体火箭推力装置，其特征在于，包括：

燃烧室（1），所述燃烧室（1）为两端开口的中空圆柱结构，所述燃烧室（1）的一端设置有端盖（7），燃烧室（1）另一端设置有安装座（8），所述端盖（7）与所述燃烧室（1）可拆卸密封连接，且所述端盖（7）中心位置开设有通孔，并沿所述通孔向燃烧室（1）内部延伸设置有安装孔；所述燃烧室（1）远离所述端盖（7）的一端内壁开设有螺纹构成所述安装座（8）；

药柱（2），所述药柱（2）设置在所述燃烧室（1）内部，所述药柱（2）外壁与所述燃烧室（1）内壁之间形成气流通道，所述气流通道为变截面通道；所述气流通道内药柱（2）燃烧的燃通比在100以下；

点火器（3），所述点火器（3）安装在所述安装孔内，且伸入所述药柱（2）的中空部位，用于点燃所述药柱（2）；

一体式喷管组件（4），所述一体式喷管组件（4）与所述安装座（8）螺纹密封连接，所述一体式喷管组件（4）上开设有若干个喷管（5），所述喷管（5）与所述燃烧室（1）内部连通；

所述药柱（2）包括一体成型的圆柱段和圆台段，且所述药柱（2）为中空结构；所述圆柱段的端部与所述端盖（7）粘接，所述圆台段沿所述燃烧室（1）的推力方向直径减小；

所述燃烧室（1）的侧壁厚度沿所述燃烧室（1）的推力方向逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的一种可重复使用的高效能量转化固体火箭推力装置，其特征在于，所述圆台段的锥面与底面的夹角为30～85°。

3.根据权利要求2所述的一种可重复使用的高效能量转化固体火箭推力装置，其特征在于，所述燃烧室（1）的内侧壁与燃烧室（1）的外侧壁截面夹角为1～12°。

4.根据权利要求1所述的一种可重复使用的高效能量转化固体火箭推力装置，其特征在于，所述药柱（2）的两个端面均设置有阻燃层，所述阻燃层与所述药柱（2）的两个端面粘接。

5.根据权利要求1所述的一种可重复使用的高效能量转化固体火箭推力装置，其特征在于，所述燃烧室（1）为超高强度钢材料。

6.根据权利要求5所述的一种可重复使用的高效能量转化固体火箭推力装置，其特征在于，所述超高强度钢材料为45钢或30CrMnSiA。

7.根据权利要求1所述的一种可重复使用的高效能量转化固体火箭推力装置，其特征在于，所述一体式喷管组件（4）均匀开设有五个喷管（5）。

8.根据权利要求1所述的一种可重复使用的高效能量转化固体火箭推力装置，其特征在于，所述安装孔的内壁开设有螺纹，所述点火器（3）与所述安装孔螺纹密封连接。