发动机喷管延伸段与喷管系统的制作方法

文档序号:15579019发布日期:2018-09-29 06:21

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。

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