CN1322276A - 用于具有冷却式喷管壁的火箭喷管的喷管结构 - Google Patents
用于具有冷却式喷管壁的火箭喷管的喷管结构Info
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Abstract
本发明涉及一种用于具有一冷却式喷管壁的火箭喷管的喷管结构,其中所述喷管壁包括大量紧密相间的冷却通道(2),这些通道(2)从该喷管的入口端部延伸到其出口端部。为了有利于制造所述冷却式喷管壁,根据本发明,所述喷管壁由若干块从喷管的入口端部延伸到其出口端部的长条形壁板(11)制成,并且在它们的纵向侧边缘(7)处被连接在一起,其中在各个壁板中均形成大量的所述冷却通道(2),这些冷却通道(2)沿壁板(11)的纵向延伸。
Description
本发明涉及一种用于具有冷却式喷管壁的火箭喷管的喷管结构，其中所述冷却式喷管壁中包括有大量紧密相间的冷却通道，这些冷却通道从所述喷管的入口端部延伸到其出口端部。
这种冷却式火箭喷管必须带有一这样的喷管壁，即该喷管壁不仅质轻、坚硬，而且还能够提供均匀的冷却作用。为了达到这个目的，在由金属材料制成的壁本身中排布有大量的平行冷却通道。这些冷却通道既可以通过对壁材料及辅助设计措施进行机械加工来制成，也可以通过使得喷管壁本身由连接在一起的大量紧密相间导管制成而形成。另外，所述壁也可以由一由两种材料制成的复合层来形成，在该复合层中通过利用多种方法成形有空腔，这些空腔在复合状态下将形成所述冷却通道。
前述类型的火箭喷管可以示例性地从US-A-5221045，US-A-5386628，US-A-5233755，US-A-4942653及US-A-3768256中得知。
除了这个事实，即利用大量的——数百根——细长导管制成一喷管壁不仅劳动强度大而且耗费时间长之外，这种喷管还表现出了其他缺点。因而，如果通过钎焊工艺将所述导管相互连接起来，那么将难以在切线方向上获得所需的结构强度。这种导管也曾经被扩散焊接在一起，但是在切线方向上仍旧无法获得可靠的强度。
在这种情况下，利用了多种方式来对喷管壁材料进行机械加工以形成凹槽或者沟槽，并随后利用另一材料层来对该凹槽或沟槽进行包覆或者组合以形成所述冷却通道，但仍旧难以进行最后阶段的连接操作，比如通过焊接工艺，因为在此处焊料将暴露在由冷却剂压力所产生的应力中。
所有前述公知喷管结构的另外一缺点在于，所使用的材料必须具有所必需的强度，从而该材料将具有一相对较高的密度，比如不锈钢或者镍基材料。从而，这些喷管将变得很重。由于喷管的重量将会降低火箭的有效负载能力，所以这一点成为了一个很大的缺点。
本发明的目的在于消除现有技术中的缺陷，并且不仅提供一种这样的火箭喷管，该喷管非常易于并且可以更快速地制造，其强度也得以明显改善，而且提供一种质量更轻的喷管。
该目的可以根据本发明而得以实现，其中喷管壁由若干个长条形壁板组成，这些长条形壁板从喷管的入口端部延伸到其出口端部，并且沿它们的纵向侧边缘连接在一起，在各个壁板中形成有大量的所述相邻冷却通道，这些通道沿壁板的纵向方向延伸。
很显然，由于无需进行繁重的工作来将大量的细长导管放置在一起并且随后沿它们的长度方向对它们进行连接，所以在时间上可以明显缩短。
由于冷却通道排布在壁板中，所以已经发现根据本发明的第一实施例，用于再生冷却式火箭喷管的喷管壁结构用壁板可以由与先前所使用的金属完全不同的金属制成，也就是说利用一种可以被挤压的金属，比如铝、铝合金或者铜来制成。这又意味着可以获得额外的工艺简化和时间节约。对于首选的铝来说，所需的壁板强度可以通过相对于不锈钢或者镍基材料增大一定的尺寸来得以保证，但是每单元表面的重量仍旧小于所述材料的每单元表面重量。
试验研究和统计计算已经证明较高的导热性能，尤其是铝的导热性能，可以使得过热和熔融的风险，尤其是在特定部位处，近乎不存在。如果需要，所述喷管的内侧还可以象本技术领域中所公知的那样包覆一陶瓷隔热包覆层。
所推荐材料的高导热性能能够使得热应力降低。在整个承载周期内喷管的结构保持弹性。通过这种方式，对该发动机喷管的设计和改进也得以简化。
根据本发明的第二实施例，由可挤压材料制成的壁板可以由两块压制而成的壁板部件来制成，该壁板部件上带有适用的互锁装置，以便当所述互锁装置被沿轴向相互推入时所述壁板部件可以被锁合在一起。
现在将参照所附附图对本发明的一非限制性例子进行描述，其中附图1是一根据本发明的壁板的局部透视图，附图2是沿它们的侧边缘焊接在一起的两块壁板的端部视图，各个壁板均包括有两块可挤压的壁板部件，附图3是被焊接在一起的两块壁板的端部视图，并且在最终成品喷管的承热侧面上带有一陶瓷隔热包覆层，而在另一侧面上带有增强肋，附图4是一钟形火箭喷管的侧视图，该喷管上带有呈螺旋形卷绕的壁板，附图5是被焊接在一起的两块壁板的局部透视图，并且该壁板上带有一用于将这些壁板夹持在一起的锁合装置，附图6是附图4中所示部件的放大比例视图，示出了所述喷管中呈螺旋形卷绕的壁板中的冷却通道。
附图1示出了一种根据本发明第一优选实施例的壁板11形式的喷管结构。该长条形壁板11用于制成这样一喷管壁的部件，即该喷管壁的部件用于再生冷却式火箭喷管或者带有一冷却式喷管壁的火箭喷管，并且从该喷管的入口端部一直延伸到其出口端部，该方案是将多个壁板11纵向焊接在一起，用以形成完整的火箭喷管壁。壁板11带有多个相邻的细长平行冷却通道2，在所示出的实施例中为8个，该冷却通道2在壁板的整个长度上延伸并且具有比如椭圆形的横剖面。
根据本发明的一尤其优选的实施例，在附图1中所示出的各个壁板11均一体成形，最好是通过对铝、铝合金、铜或者其他可挤压金属进行压制而一体成形。
正如在附图4中示出的那样，壁板11以螺旋形式从喷管1的入口端部3延伸到其出口端部4。
在一优选实施例中，所述壁板11最好沿其侧边缘7的外侧带有凸缘5、6。设置这些凸缘5、6具有三个目的：即用作加强装置来抵抗最终成形的喷管发生弯曲；用于在所述壁板之间的接头或者焊接处提供一材料厚度的局部增加；及用作这样一装置，即当制造下面将要描述的喷管结构时用于迫使相邻壁板在一焊芯(未示出)上连接在一起。
在附图1中所示出的所述凸缘5、6可以任选性地分别在各个凸缘的边缘侧面上带有一凹槽8和一肋条9，及位于各个凸缘中朝向内侧的槽口10。
分别位于一个壁板11两凸缘上的凹槽8和肋条9适于分别与相邻壁板的凸缘上相应的肋条和凹槽相啮合，在将壁板相互焊接在一起的时侯将所述壁板在一未示出的焊芯上相互对齐。
附图2示出了根据本发明焊接在一起的两块壁板21的第二实施例。各个壁板21这样制成，即首先由不同或者相同材料来压制成形壁板部件23、24，随后将所述壁板部件沿轴向进行推送，用以嵌套在一起，最好是通过轮廓造型而夹持在一起，比如通过燕尾接头或者类似的互锁装置而夹持在一起。在附图2中所示出的壁板部件23、24各个均在其中一侧面上带有比如预定数目的板条和凹槽，这些板条和凹槽均沿该壁板部件的纵向延伸。在其中一个壁板部件24上的板条26远高于另一壁板部件23上的板条25，以便当嵌套在一起的时候可以在壁板部件23、24之间余留出通道22。在附图2中所示出的上壁板部件23构成了喷管的冷却外侧面，并且大体上形成了该喷管中的承载部件，与此同时下壁板部件正好迎着火焰并且适用于传导热量。由此所制成的复合壁板21沿它们的纵向侧面被从外部焊接在一起，用以形成所述喷管，而位于该喷管内侧面上的壁板也必须被焊接在一起。当火箭喷管中的冷却通道22具有较小的横剖面时，该
实施例尤其有益。
附图2所示出的实施例中没有凸缘5、6(参见附图1)，但是本技术领域中的技术人员显然可以看出，该实施例也可以如前所述那样带有相应的凸缘。
附图3示出了第一实施例的一变型实施例，其中壁板11在用于形成所述喷管外侧面的那一部件上带有增强肋12，该增强肋12用于增强所述喷管的刚度并且用于传导热量。
该附图还示出了所述壁板可以在喷管的内侧面上被焊接在一起，用以增强所述喷管的刚度，但该方案在第二实施例中并非是必需的。
在第一或者第二实施例中的壁板带有凸缘5、6的情况下，如附图5中所示的一个纵向锁合装置13可以滑套于结合在一起的所述凸缘上，从所述喷管的出口端部开始直至该喷管的大约一半高度处，即跨越了应力最大的区域，并且该锁合装置被焊接在所述凸缘上。
附图6以较大比例示出了形成所述喷管壁的壁板，在其中形成有多个冷却通道2。
本技术领域中技术人员显然可以看出前述类型的火箭喷管可以在其内侧面上带有一隔热包覆层14。
在根据前述实施例的壁板中，冷却通道壁中位于喷管承热侧面上的部分可以在冷却通道内部带有未示出的表面增加装置，用于提高冷却效率及降低所述材料的温度。
虽然，根据本发明的壁板非常适合于制造带有一冷却式喷管壁的钟形火箭喷管，但是本技术领域中技术人员显然可以看出，也可以利用所述壁板来制造比如空气点火喷管(aero-spike nozzles)(带塞体的喷管(plug nozzles))或者锥形喷管。
一种制造带有内埋冷却通道式喷管壁(a cooling-channel-equippednozzle wall)的再生冷却式钟形火箭喷管的方法，将在下文中进行简要描述，其中所述喷管壁由根据本发明第一实施例的壁板制成，并且这些壁板沿该喷管壁呈螺旋形延伸：
在第一步骤中，将直线型或者经过预先形成螺旋形的壁板以微小的切向间隙安装在一未示出的钟形焊芯的小端部外侧，该焊芯具有与最终成品喷管相同的形状。用于常规类型喷管的壁板数目为40至80个，其可与当今利用420根导管所制成的那种喷管相媲美。通过调整壁板与该喷管轴线之间的角度可以消除壁板之间的切向间隙。
在第二步骤中，在所述壁板的侧边缘上带有凸缘的情况下，用于将壁板相互安装在一起的装置可以从所述焊芯的小端部处滑套到所述凸缘上，该装置比如可以包括有一套“先驱”装置，该“先驱”装置可以局部地将所述壁板夹持在一起。与此同时，旋转所述焊芯来引起所述壁板发生螺旋。随后，将所述“先驱”装置沿凸缘进一步下拉，并且利用一套新的装置，来由该装置将所述壁板完全结合并安装在一起。相邻壁板中的凹槽和肋条(参见附图1)相互啮合并且将所述壁板沿轴向进行固定，及
在第三步骤中，将所述喷管壁板中的第一部件(小端)焊接在一起，随后利用步骤2和3对该方法进行重复。
Claims (8)
1.用于具有冷却式喷管壁的火箭喷管的喷管结构，其中所述喷管壁包括有大量紧密相间的冷却通道(2；22)，这些冷却通道(2；22)从所述喷管的入口端部(3)延伸到其出口端部(4)，其特征在于：所述喷管壁由若干块长条形壁板(11；21)组成，这些壁板(11；21)从所述喷管的入口端部延伸到其出口端部，并且在它们的纵向侧边缘(7)处被连接在一起，在各个壁板(11；21)中形成有大量的所述相邻冷却通道(2；22)，这些冷却通道(2；22)沿所述壁板(11；21)的纵向延伸。
2.根据权利要求1所述的喷管结构，尤其是用于钟形或者锥形火箭喷管的喷管结构，其特征在于，所述壁板(11；21)以螺旋形排布在所述喷管侧壁上。
3.根据权利要求2所述的喷管结构，尤其是用于再生冷却式火箭喷管的喷管结构，其特征在于，所述壁板(11；21)由可挤压的金属制成。
4.根据权利要求1或3所述的喷管结构，其特征在于，所述壁板(11；21)由铝、铝合金、铜或者其他可挤压的金属制成。
5.根据权利要求1至4中任一所述的喷管结构，其特征在于，所述壁板(11)被一体制成。
6.根据权利要求3所述的喷管结构，其特征在于，各个壁板(21)均包括有两块叠合的壁板部件(23、24)，各个壁板部件(23、24)在其一侧面上带有一预定数目的互锁装置(25、26)，以便在沿轴向滑动来对它们进行组装后，该互锁装置可以将所述壁板部件保持在一起，这些互锁装置沿所述壁板部件(23、24)的纵向延伸，位于其中一个壁板部件(24)上的互锁装置(26)的高度大于另一壁板部件(23)上互锁装置(25)的高度，从而在所述壁板部件(23，24)被组装好的状态下，由壁板部件(24)中的凹槽底部与另一壁板部件(23)中互锁装置(25)的上部件之间形成通道(22)，其中所述壁板部件(24)带有高度较大的互锁装置(26)，而所述互锁装置(25)的高度较小。
7.根据权利要求1至6中任一所述的喷管结构，其特征在于，所述壁板(11；21)上的侧边缘(7)带有凸缘(5、6)，该凸缘(5、6)又具有用于将相邻壁板(11；21)对齐的装置(8、9)。
8.根据权利要求1至7中任一所述的喷管结构，其特征在于，所述喷管(1)的内侧包覆有一隔热包覆层(14)。
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