本发明涉及航天器推进系统技术领域，具体地，涉及一种发动机喷管延伸段与喷管系统，特别是一种火箭发动机复合材料喷管延伸段与喷管系统。
背景技术：
发动机是运载火箭、卫星等航天器的心脏，为航天器变轨调姿提供动力。喷管是火箭发动机的核心部件，将燃烧室内高温燃气的热能转化为动能，使发动机产生推力。为了提高火箭发动机的性能，通常需要采取增大喷管面积比方法，即采用喷管延伸段。
基于碳纤维预制体技术，提出了陶瓷基复合材料喷管延伸段的加工方法。通过芯模布置碳纤维，实现碳纤维预成型，即为碳纤维预制体。将碳纤维预制体放入先驱体聚合物溶液中浸渍，再浸渍过的预制体进行高温裂解，先驱体聚合物分解成增强碳纤维结构。经反复多次浸渍-高温裂解过程后，预制体硬化形成c/sic陶瓷基复合材料。
纵观国内外技术现状，火箭发动机喷管延伸段多采用难容合金材料，如铌铪合金、铌钨合金、钽钨合金和铼铱材料，与金属短喷管推力室焊接连接。难容合金材料喷管延伸段使用广泛，技术成熟，但具有以下不足：1)因难容金属材料密度大，喷管延伸段重量偏重；2)喷管延伸段壁厚相对较薄，抗振动和冲击性能差；3)喷管延伸段焊接到发动机后，在装配、测试、保管、运输和使用过程中，易发生喷管延伸段磕碰问题。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种发动机喷管延伸段与喷管系统。
根据本发明提供的发动机喷管延伸段，包含延伸喷管部与延伸法兰部，所述延伸喷管部与延伸法兰部一体成型或紧固连接，延伸喷管部与延伸法兰部均为回转体，沿回转轴轴向方向，延伸喷管部与延伸法兰部相对反向扩张设置；
延伸喷管部沿轴向方向的两端分别形成第一大端部与第一小端部，第一小端部与延伸法兰部相连，延伸喷管部与延伸法兰部之间平滑过渡连接；
延伸喷管部的内外壁面分别形成第一内型面、第一外型面；
延伸法兰部上设置有光孔。
优选地，所述延伸法兰部的内外壁面均为锥形曲面，延伸法兰部的壁厚相等。
优选地，延伸法兰部壁厚为2～10mm；延伸法兰部回转轮廓相对回转轴夹角为25°～65°；多个光孔沿延伸法兰部周向方向布置，光孔数量不少于4个。
优选地，所述第一内型面形成以下任一种结构：
--锥形喷管结构；
--双圆弧喷管结构；
--钟形喷管结构。
优选地，第一大端部横截面直径大于第一小端部横截面直径；
第一小端部的壁厚为4～8mm；第一大端部包含加厚部，所述加厚部的壁厚为3～5mm，第一大端部上除加厚部之外的其他部位的壁厚1～3mm。
优选地，所述延伸喷管部扩张比为60；所述加厚部的长度为5mm。
优选地，延伸喷管部与延伸法兰部之间圆角光滑过渡，内侧圆角半径为3mm，外侧圆角为10mm。
本发明还提供了一种喷管系统，包含喷管推力室与权利要求1至7中任一项所述的发动机喷管延伸段；
喷管推力室安装在发动机喷管延伸段的延伸法兰部上。
优选地，所述喷管推力室的内壁面形成第二内型面；
沿径向方向，第二内型面位于第一内型面的相对内侧。
优选地，第二内型面与第一内型面之间沿径向方向的相对偏移量为0.3～3mm。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、重量轻，可实现发动机减重30～50％；
2、结构强度和刚度好，抗振动和冲击性能强；
3、可实现与金属推力室法兰连接，拆装灵活，利于发动机产品装配、测试、保管、运输和使用；
4、本发明拓展性强，适用于火箭、飞船、上面级、空间武器等领域的轨控发动机，同时对金属材料喷管延伸段设计具有一定借鉴意义。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的发动机喷管延伸段半剖图；
图2为发动机喷管延伸段与喷管推力室装配图。
图中示出：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1、图2所示，实施例中，本发明提供的发动机喷管延伸段包含延伸喷管部2与延伸法兰部1，所述延伸喷管部2与延伸法兰部1一体成型或紧固连接，延伸喷管部2与延伸法兰部1均为回转体，沿回转轴轴向方向，延伸喷管部2与延伸法兰部1相对反向扩张设置，延伸喷管部2沿轴向方向的两端分别形成第一大端部21与第一小端部22，第一小端部22与延伸法兰部1相连，延伸喷管部2与延伸法兰部1之间平滑过渡连接，延伸喷管部2的内外壁面分别形成第一内型面24、第一外型面25，延伸法兰部1上设置有光孔11。
所述延伸法兰部1的内外壁面均为锥形曲面，延伸法兰部1的壁厚相等。延伸法兰部1壁厚为2～10mm；延伸法兰部1回转轮廓相对回转轴夹角角度为25°～65°；多个光孔11沿延伸法兰部1周向方向布置，光孔11数量不少于4个。所述第一内型面24形成以下任一种结构：锥形喷管结构；双圆弧喷管结构；钟形喷管结构。第一大端部21横截面直径大于第一小端部22横截面直径，延伸喷管部2采用变壁厚设计，第一小端部22的壁厚为4～8mm；第一大端部21包含加厚部23，所述加厚部23的壁厚为3～5mm，第一大端部21上除加厚部23之外的其他部位的壁厚1～3mm。优选地，所述延伸喷管部2扩张比为60；所述加厚部23的长度为5mm。延伸喷管部2与延伸法兰部1之间圆角光滑过渡，内侧圆角半径为3mm，外侧圆角为10mm。
如图2所示，本发明还提供了一种喷管系统，包含喷管推力室3与上述的发动机喷管延伸段，喷管推力室3安装在发动机喷管延伸段的延伸法兰部1上。所述喷管推力室3的内壁面形成第二内型面31，沿径向方向，第二内型面31位于第一内型面24的相对内侧。第二内型面31与第一内型面24之间沿径向方向的相对偏移量δ为0.3～3mm，也就是说，相对第二内型面31，第一内型面24法向外移，移动距离为0.3～3mm。优选地，喷管推力室3为金属短喷管推力室3，发动机喷管延伸段由复合材料制成。
优选实施方式：延伸法兰部1厚度6mm，锥面角度，也就是延伸法兰部1回转轮廓相对回转轴夹角为45°，延伸法兰部1上加工20个用于连接螺栓的φ8光孔11，延伸法兰部1内侧光洁度要求不低于ra3.2，便于实现喷管延伸段拆装灵活。锥面结构可以沿喷管延伸段轴线方向进行定位。
延伸喷管部2为反方向扩张的锥形曲面，锥面角度30°，采用变壁厚设计，第一小端部22的端部壁厚6mm，第一大端部21的端部壁厚2mm。沿第一小端部22到第一大端部21方向，第一小端部22壁厚由6mm至3.5mm连续变化，第一大端部21壁厚由3.5mm至2mm连续变化，喷管扩张面积比为60。通过在第一小端部22壁厚适当增厚，第一大端端壁厚适当减薄，可减轻延伸喷管部2的部分重量，又可保证延伸喷管部2的强度和刚度。第一大端部21上的加厚部23在长度为5mm的范围对壁厚进行加厚设计，厚度为4mm，保证延伸喷管部2的整体刚性，提升延伸喷管部2抗振动和冲击的能力。延伸法兰部1和延伸喷管部2之间通过圆角光滑过渡，内侧圆角为r3，外侧圆角为r10，避免所述发动机喷管延伸段存在应力集中。
如图2所示，第一内型面24相对第二内型面31法向外移0.5mm，可避免延伸喷管部2与金属短喷管推力室3连接处产生激波。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。