一种固体火箭发动机的组合式喷管

本发明属于固体火箭发动机技术领域，具体涉及一种固体火箭发动机的组合式喷管。

背景技术：

固体火箭发动机是固体推进剂火箭发动机的简称，主要由燃烧室壳体固体推进剂装药、喷管和点火装置等几部分组成。在固体火箭发动机中，燃烧用的推进剂经压伸或浇注制成所需形状的装药，直接装于燃烧室或发动机壳体内。多种飞行器中均使用了固体火箭发动机：弹道导弹，航天系统和运载火箭，巡航导弹和飞机，地空和空射导弹系统。

固体火箭发动机可以作为火箭的主发动机，或者作为飞行控制级间和头部分离、制动和软着陆、宇宙飞船应急救生和飞行员专用舱的辅助发动机。固体火箭发动机的主要结构零部件有壳体、喷管、药柱、起动系统、推力终止(停止)和紧急关闭发动机的装置、辅助装置等。飞行器上使用的带运动控制功能的固体火箭发动机,有改变推力矢量大小和方向的专用控制机构。为了控制推力矢量的方向,可以利用发动机的主喷管或产生局部作用的燃气射流装置。

喷管是固体火箭发动机的重要组成部分，其设计的好坏决定了发动机的主要推进性能。为了达到较好的喷管内部性能，本发明优化了喷管结构，组合两种不同类型的喷管，在满足最大膨胀比的条件下，实现对发动机的矢量控制。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提出一种固体火箭发动机的组合式喷管，以解决现阶段喷管出现的膨胀比和矢量控制难以兼得的问题。本技术中单斜面膨胀喷管和拉伐尔喷管相结合，其中单斜面膨胀喷管的收敛段和扩张段通过柔性接头连接，可在较大摆角范围内实现对固体火箭发动机的矢量控制；内部的拉伐尔喷管补偿了外部单斜面膨胀喷管在流动过程中产生的损失，使得组合喷管的最大膨胀比可以满足设计要求。单斜面膨胀喷管和拉伐尔喷管的入口分别与外环燃气通道和内环燃气通道出口连接，使得气态燃烧产物在完全膨胀加速的同时，产生矢量推力。

技术方案

本发明的目的在于提供一种固体火箭发动机的组合式喷管。

本发明技术方案如下：

一种固体火箭发动机的组合式喷管，其特征在于：固体火箭发动机燃烧室药柱采用内孔燃烧的双环管状药柱，而喷管采用单斜面膨胀喷管和拉伐尔喷管组合结构；单斜面膨胀喷管的收敛段为固定件，扩张段为可在一点范围内摆动的活动件，两者之间由柔性接头连接，用以产生矢量推力；其内部设置拉伐尔喷管，该喷管整体固定，用以补偿单斜面膨胀喷管产生的流动损失。

所述的一种固体火箭发动机的组合式喷管，其特征在于：内部拉伐尔喷管收敛段的入口与内环燃气通道出口相连接，且两者的中心线在同一条直线上。

所述的一种固体火箭发动机的组合式喷管，其特征在于：单斜面膨胀喷管设置在拉伐尔喷管外侧，其收敛段的入口与外环燃气通道的出口相连接，且三者的中心线位于同一条直线上。

所述的一种固体火箭发动机的组合式喷管，其特征在于：两喷管之间的气流通道仍遵循先收敛后扩张的原则，其喉道位置与拉伐尔喷管的喉道位置大致相同。。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明在现有喷管的基础上进行优化和改进，采用组合式喷管，在满足喷管最大膨胀比的同时，产生矢量推力。(2)本发明中单斜面膨胀喷管的收敛段和扩张段通过柔性接头连接，扩张段可依据控制指令旋转偏移一定角度，从而改变推力方向，实现对固体火箭发动机的矢量控制。(3)本发明中拉伐尔喷管固定于单斜面膨胀喷管的内部，可补偿单斜面膨胀喷管由于不完全膨胀、扩散、化学动力学和摩擦等引起的各种损失，气态燃烧产物可在此处实现完全膨胀和加速过程。

附图说明

图1：一种固体火箭发动机的组合式喷管的剖面图

图2：一种固体火箭发动机的组合式喷管的示意图

图3：一种固体火箭发动机的组合式喷管的3/4示意图

图中：1-燃烧室壁面，2-外环管状药柱，3-内环管状药柱，4-单斜面膨胀喷管的收敛段，5-柔性接头，6-单斜面膨胀喷管的扩张段，7-拉伐尔喷管。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步描述：

结合图1，本发明提供了一种在保证最大膨胀比的同时产生矢量推力的固体火箭发动机的组合式喷管。

具体过程：

设计限制边界一定，此发明中的喷管采用单斜面膨胀喷管和拉伐尔喷管7相组合的形式。外环管状药柱2燃烧，气态燃烧产物从外环燃气通道流向单斜面膨胀喷管的收敛段4，该段固定并与燃烧室壁面1连接，起稳定作用；其收敛段4和扩张段6之间由柔性接头5连接，使得单斜面膨胀喷管的扩张段6可以在一定角度范围内摆动，从而改变高声速燃气的排气方向，在较大范围内产生矢量推力，实现对固体火箭的矢量控制；单斜面膨胀喷管的内部通道由单斜面膨胀喷管内壁面和拉伐尔喷管外壁面组成，遵循先收缩后扩张原则，由此对燃气产生的作用与一般单斜面膨胀喷管相似。虽然该推进系统简单，但是在俯仰方向上有很大的不对称性，可能在气流流动过程中产生各种损失，例如不完全膨胀等，于是此发明加入拉伐尔喷管7，对相应的损失进行补偿。内环管状药柱3同时进行燃烧，气态产物从内环燃气通道流向拉伐尔喷管7，燃烧产物不断膨胀加速，使得组合喷管的最大膨胀比满足要求，同时将热能转化为动能，从而对固体火箭做推进功。

技术特征：

1.一种固体火箭发动机的组合式喷管，其特征在于：固体火箭发动机燃烧室药柱采用内孔燃烧的双环管状药柱，而喷管采用单斜面膨胀喷管和拉伐尔喷管组合结构；单斜面膨胀喷管的收敛段为固定件，扩张段为可在一点范围内摆动的活动件，两者之间由柔性接头连接，用以产生矢量推力；其内部设置拉伐尔喷管，该喷管整体固定，用以补偿单斜面膨胀喷管产生的流动损失。

2.根据权利1所述的一种固体火箭发动机的组合式喷管，其特征在于：内部拉伐尔喷管收敛段的入口与内环燃气通道出口相连接，且两者的中心线在同一条直线上。

3.根据权利1所述的一种固体火箭发动机的组合式喷管，其特征在于：单斜面膨胀喷管设置在拉伐尔喷管外侧，其收敛段的入口与外环燃气通道的出口相连接，且三者的中心线位于同一条直线上。

4.根据权利1所述的一种固体火箭发动机的组合式喷管，其特征在于：两喷管之间的气流通道仍遵循先收敛后扩张的原则，其喉道位置与拉伐尔喷管的喉道位置大致相同。

技术总结
本发明提供了一种固体火箭发动机的组合式喷管，涉及固体火箭发动机技术领域。本发明在常规尾喷管的基础上进行改进，将单面膨胀喷管和拉法尔喷管巧妙结合起来，同时发挥两种喷管的优势。此发明中，具体采用一种不对称的单斜面膨胀喷管，其收敛段固定并与燃烧室壁面连接，扩张段与柔性接头衔接形成可在一定角度内摆动的活动件，用以产生较大范围内的矢量推力，完成对固体火箭发动机的矢量控制。为解决单斜面膨胀喷管产生的流动损失，在其内部设置一个拉法尔喷管，可供气态燃烧产物完全膨胀加速，高效完成能量之间的转换。两种喷管的组合可实现在较小的流动损失情况下产生较大范围的矢量推力，从而提升对固体火箭发动机飞行方位的控制。

技术研发人员：张群;王晓燕;马晓曦;王紫欣;高耀红
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2021.03.31
技术公布日：2021.07.23