具有喉部区域中流量调节器和旋转接头的推进器喷嘴组件的制作方法

具有喉部区域中流量调节器和旋转接头的推进器喷嘴组件


背景技术：

1.推进器(诸如，用于火箭发动机、其他航空航天载具、地面载具、海洋载具或其他系统的推进器)被认为包括将流体的高速推进射流排出的会聚-发散喷嘴。推进器还可以包括调节阀，以在期望的压力下递送经增压的流体。


技术实现要素：

2.根据本公开的示例性方面的喷嘴组件包括喷嘴等，该喷嘴包括喉部区段。喷嘴进一步包括球窝接头的球部分。组件进一步包括载具，该载具包括球窝接头的承窝部分。喷嘴被安装到载具，并且球部分被至少部分地接纳于承窝部分中。流量调节器被布置成与喉部区段相邻，并且被构造成调节流体通过喉部区段的流量。流量调节器在喉部区段的上游附接到喷嘴。致动器被附接到喷嘴，并且致动器被构造成经由球窝接头选择性地使喷嘴围绕与载具的纵向轴线正交的第一轴线旋转。
3.在前述喷嘴组件的进一步的非限制性实施例中，致动器进一步被构造成选择性地使喷嘴围绕与载具的纵向轴线和第一轴线正交的第二轴线旋转。
4.在前述喷嘴组件中的任一个的进一步的非限制性实施例中，该组件包括多个喷嘴和对应的多个流量调节器，并且多个喷嘴中的每个与球窝接头的球部分成一体。
5.在前述喷嘴组件中的任一个的进一步的非限制性实施例中，多个流量调节器中的每个被构造成彼此独立地或彼此协调地操作。
6.在前述喷嘴组件中的任一个的进一步的非限制性实施例中，球部分是半球形轴承，并且承窝部分是包围球部分的至少部分的半球形承窝。
7.在前述喷嘴组件中的任一个的进一步的非限制性实施例中，流量调节器包括枢轴，该枢轴可相对于承座沿平行于喷嘴的纵向轴线的方向移动，以调节流体通过喉部区域的流量。
8.在前述喷嘴组件中的任一个的进一步的非限制性实施例中，枢轴包括柄部、具有比柄部更大的直径的头部以及从头部延伸的渐缩表面，该渐缩表面被构造成接触承座，并且渐缩表面相对于承座的线性位置改变流动区域的尺寸，流体能够通过该流动区域流过喉部区段。
9.在前述喷嘴组件中的任一个的进一步的非限制性实施例中，渐缩表面从头部到枢轴的自由端在直径上逐渐减小。
10.在前述喷嘴组件中的任一个的进一步的非限制性实施例中，枢轴是被布置成与喉部区段相邻的多个枢轴之一，并且所述多个枢轴中的每个可独立地移动。
11.在前述喷嘴组件中的任一个的进一步的非限制性实施例中，多个枢轴由围绕喷嘴的纵向轴线彼此间隔开的四个枢轴组成。
12.在前述喷嘴组件中的任一个的进一步的非限制性实施例中，组件包括各自被构造成选择性地使多个枢轴中的相应的一个移动的多个线性致动器。
13.在前述喷嘴组件中的任一个的进一步的非限制性实施例中，喷嘴包括从喉部区段
延伸的发散区段。
14.在前述喷嘴组件中的任一个的进一步的非限制性实施例中，载具是火箭发动机。
15.根据本公开的示例性方面的火箭包括：本体；推进剂，其存储于本体内；燃烧室，其布置于本体内；以及喷嘴组件，其附接到本体，并且被构造成将燃烧室的产物排出；等等。喷嘴组件包括：喷嘴，其包括喉部区段；流量调节器，其被布置成与喉部区段相邻，并且被构造成调节燃烧室的产物通过喉部区段的流量；以及旋转球接头，其被构造成选择性地使流量调节器和喷嘴旋转。
16.在前述火箭的进一步的非限制性实施例中，流量调节器包括可相对于承座线性地移动的枢轴。
17.在前述火箭中的任一个的进一步的非限制性实施例中，枢轴是被布置成与喉部区段相邻的多个枢轴之一，并且多个枢轴中的每个可通过相应的线性致动器来独立地移动。
18.在前述火箭中的任一个的进一步的非限制性实施例中，多个枢轴由围绕喷嘴的纵向轴线彼此间隔开的四个枢轴组成。
19.根据本公开的示例性方面的方法包括：通过经由旋转接头调整喷嘴相对于本体的位置并且调整被布置成与喷嘴的喉部区段相邻的流量调节器的位置来对本体进行推力矢量化，等等。
20.在前述方法的进一步的非限制性实施例中，流量调节器包括枢轴，并且其中，调整流量调节器的位置包括沿平行于喷嘴的纵向轴线的方向使枢轴线性地移动。
附图说明
21.图1示意性地示出包括示例性喷嘴组件的示例性火箭。
22.图2示出示例性流量调节器。
23.图3示出示例性旋转球接头。
24.图4示出第二示例性喷嘴组件。
具体实施方式
25.图1示意性地示出载具20，该载具20能够是火箭、导弹、航天器、飞行器或其他载具。载具20从推进器22获得推力，在该示例中，该推进器22是火箭发动机。虽然载具和火箭发动机被示出在图1中并且在本文中讨论，但本公开不限于火箭或火箭发动机，并且具体地适用于用于其他载具(包括太空载具、空中载具、陆地载具以及海洋载具)的喷嘴组件。本公开还适用于用于反应控制系统中的推进器的喷嘴组件。
26.载具20大体上沿着纵向载具轴线r延伸，并且在该示例中，包括沿着纵向载具轴线r延伸的壳体24。壳体24是载具20的外本体。壳体24可以是单件或多件结构。
27.至少一种推进剂26存储于壳体24内。推进剂26可以是存储于单个罐中的单一推进剂或存储于单独的罐中的两种单独的推进剂，即，燃料和氧化剂。推进剂26流体地联接到布置于壳体24内的燃烧室28。燃烧室28流体地联接到喷嘴组件30。虽然在本文中提到了推进剂和燃烧室，但本公开延伸到不存在燃烧室的推进器，包括冷气体推进器和核热火箭。
28.喷嘴组件30被构造成将流体的高速推进射流排出，以为载具20提供推力。具体地，在该示例中，喷嘴组件30被构造成将燃烧室28的产物排出。
29.喷嘴组件30包括喷嘴32，该喷嘴32包括狭窄的喉部区段34和发散区段36，该发散区段36从喉部区段34沿着纵向喷嘴轴线n延伸。随着发散区段36沿着纵向喷嘴轴线n延伸远离喉部区段34，发散区段36在直径上逐渐增大。
30.喷嘴组件30包括流量调节器38，在图2中详细地示出了该流量调节器38。流量调节器38被布置成与喉部区段34相邻，并且被构造成调节流体(即，燃烧室28的产物)通过喉部区段34的流量。在该示例中，流量调节器38包括枢轴40，该枢轴40具有柄部42和头部44，该头部44提供渐缩表面46，该渐缩表面46朝向头部44的自由端在直径上逐渐减小。渐缩表面46面向承座48，并且被构造成在封闭位置接触承座48。渐缩表面46相对于承座48之间的相对间距设定流动区域的尺寸，流体能够通过该流动区域流过喉部区段34。在一个示例中，渐缩表面46和承座48的相对位置可以能够无限地调整。在此意义上，流量调节器38可在封闭位置与许多打开位置之间移动。
31.渐缩表面46可由线性致动器50来相对于承座48沿平行于纵向喷嘴轴线n的方向选择性地移动。在该示例中，渐缩表面46可沿着纵向喷嘴轴线n线性地移动。在该示例中，线性致动器50是滚珠丝杠致动器，但本公开延伸到其他类型的致动器。线性致动器50以机械方式连接到柄部42，该柄部42继而以机械方式连接到头部44。
32.在该示例中，线性致动器50响应于来自控制器52的命令。在图1中示意性地示出了控制器52。该控制器52包括电子器件、软件或两者，以执行本文中所描述的功能。尽管控制器52示出为单个装置，但该控制器52可以包括呈多个硬件装置或一个或多个硬件装置内的多个软件控制器的形式的多个控制器。控制器52可以基于一个或多个传感器的输出、基于以无线方式发送到载具20的信号，基于预编程的飞行计划和/或基于其他输入而向载具20的各种构件发出命令。
33.在本公开中，喷嘴32和流量调节器38经由旋转球接头54安装到壳体24，可在图3中最佳地看到该旋转球接头54。旋转球接头54被构造成选择性地使喷嘴32和流量调节器38相对于纵向载具轴线r旋转。
34.旋转球接头54包括半球形轴承(即，球)56，该半球形轴承56被接纳于包围轴承56的至少部分的半球形承窝(即，承窝)58中。在特定示例中，(一个或多个)致动器60被构造成使轴承56在两个平面上移动，包括通过使轴承56相对于纵向载具轴线r倾斜并且使轴承56围绕纵向载具轴线r旋转。在这点上，(一个或多个)致动器60被构造成使轴承56围绕第一轴线和第二轴线移动，并且继而使喷嘴32围绕第一轴线和第二轴线移动，第一轴线和第二轴线中的每个正交于纵向载具轴线r，并且第一轴线和第二轴线中的每个正交于彼此。在示例中，第一轴线基本上相对于图1进出于页面延伸，并且第二轴线相对于图1沿上下方向延伸。在一个示例中，轴承56可以可相对于承窝58在这两个平面上无限地调整。承窝58被设定尺寸并且成形为防止轴承56相对于承窝58沿任何方向(包括沿着纵向载具轴线r)平移。因此，在一些示例中，旋转球接头54被称为捕获式球接头(trapped ball joint)。
35.在该示例中，轴承56是中空的，并且包括中心通路62。在一个示例中，喷嘴32可以与轴承56一体地形成。进一步，在该示例中，流量调节器38刚性地安装于中心通路62中。因此，当轴承56在承窝58内旋转时，纵向喷嘴轴线n也将相对于纵向载具轴线r旋转，以如贯穿特定任务所需要的那样提供推力矢量化。在该任务期间，能够控制喷嘴组件30(具体地，流量调节器38和球接头54)以提供载具20的俯仰控制和偏航控制。
36.本公开提供足够的俯仰控制和偏航控制，而不要求大喷嘴。具体地，喷嘴32的长度基本上相对于现有喷嘴减小。在一个特定示例中，喷嘴32的长度处于载具20的总长度的15-20%内。在进一步的示例中，喷嘴32的长度小于载具20的总长度的10%。这继而减轻载具20的重量，并且允许如下的设计：在所述设计中，(一个或多个)推进剂储存罐能够在尺寸上增大，从而为可能更长的任务做准备。
37.在图4中示出另一示例性喷嘴组件130。在未以其他方式描述或示出的范围内，喷嘴组件130对应于图1-3的实施例，其中，除非在下文中以其他方式指出，否则相似的部分具有前面附加有“1”的附图标记。
38.喷嘴组件130包括相对于相应的喉部区段134a-134d布置的多个流量调节器138a-138d。燃烧室的产物可被划分成四个相等部分，其中，每个部分流动到相应的流量调节器138a-138d。喷嘴132包括在直径上逐渐增大、延伸远离相应的喉部区段134a-134d的四个发散区段136a-136d。
39.流量调节器138a-138d各自被布置成基本上与流量调节器38类似，并且特别地被构造成在封闭位置与许多打开位置之间移动。流量调节器138a-138d可响应于来自控制器的命令而由各自与线性致动器50类似的相应的线性致动器独立地移动。备选地，流量调节器138a-138d被彼此协调地控制，使得流量调节器138a-138d基本上同时进行基本上相同的移动。为此，流量调节器138a-138d可以能够由公共的线性致动器移动。流量调节器138a-138d沿着相应的轴线布置，所述相应的轴线平行于纵向喷嘴轴线n并且围绕纵向喷嘴轴线n彼此周向地间隔开。在飞行期间，可以以控制火箭的滚动的方式来控制流量调节器138a-138d，因此消除了对单独的滚动控制系统的需要。因此，喷嘴组件130可以能够控制俯仰、偏航以及滚动。进一步，通过将喷嘴132分成四个区段，在一些示例中，喷嘴132甚至能够比喷嘴32更短，从而例如导致用于推进剂的空间增大。
40.应当理解，除了以其他方式注明的情况之外，在上文中参考载具20的正常操作姿态来使用诸如“轴向”、“径向”以及“周向”的用语。进一步，已在本文中出于解释的目的使用了这些用语，并且不应当被认为是以其他方式为限制性的。诸如“大体上”、“基本上”以及“大约”的用语不旨在为无边界用语，并且应当与以本领域技术人员将解释那些用语的方式一致地解释。
41.尽管不同示例具有在说明中所示出的具体构件，但本公开的实施例不限于那些特定组合。有可能将来自示例中的一个的构件或特征中的一些与来自示例中的另一个的特征或构件组合使用。另外，本公开所附的各个附图不一定按比例绘制，并且一些特征可能被夸大或缩小，以示出特定构件或布置的某些细节。
42.本领域普通技术人员将理解，上文中所描述的实施例是示例性且为非限制性的。即，本公开的改型将归入权利要求书的范围内。因此，应当研究所附的权利要求书，以确定它们的真实范围和内容。