螺旋药型固液火箭发动机的制作方法

本发明属于火箭发动机领域，具体来说，是一种采用螺旋药柱的固液火箭发动机。

背景技术：

固液火箭发动机作为一种新型发动机，氧化剂为气态或液态物质，燃料为固态，决定了其混合和燃烧过程有别于传统的液体和固体火箭发动机。固液火箭发动机具有安全性好、成本低、环境友好性好等优点。

然而，固体燃料燃速低是制约固液火箭发动机发展的一个重要因素。目前，已有向固体燃料内添加高能金属颗粒、氧化剂喷注方式改进等方法提高固体燃料燃速。添加高能金属颗粒增加燃速的同时会增加喷管的烧蚀，同时只适用于浇注型药柱如段羟基聚丁二烯药柱；改变喷注方式在提高燃速的同时会增加喷注热防护的难度。

技术实现要素：

为了解决固液火箭发动机燃速低的问题，本发明专利提出一种新型固液火箭发动机，包括头盖、喷注面板、前燃室壳体、前燃室绝热层、药柱、燃烧室壳体、后燃室壳体、后燃室绝热层、后封头壳体、后封头绝热层、喷管与喷管压板。

其中，头盖、喷注面板、前燃室壳体、燃烧室壳体、后燃室壳体、后封头壳体由前至后同轴设置，两两间固定；前燃室与后燃室的内壁周向上安装有前燃室绝热层与后燃室绝热层；同时，喷管前端与后封头壳体间采用高温胶粘工艺安装有后封头绝热层；药柱安装于燃烧室壳体内。

所述药柱为筒状，前部为直管段；后部为螺旋段；螺旋段内壁面上沿药柱轴向设计有螺纹槽，一是可以增强湍流强度，增加主流对药柱表面的对流换热，二是诱导主流流动从直流转变为旋流。

本发明专利的优点在于：

1、本发明螺旋药型固液火箭发动机，有助于提高固液火箭发动机的燃速，提高固液火箭的性能；

2、本发明螺旋药型固液火箭发动机中，药柱螺旋段上的螺纹槽的宽度大于深度，使药柱更易获得较高燃速；

3、本发明螺旋药型固液火箭发动机，便于加工，有利于降低成本；

4、本发明螺旋药型固液火箭发动机，可以采用分段燃烧室，分段装药，便于试验时分别精确测量直管段和螺旋段的燃速。

附图说明

图1为螺旋药型固液火箭发动机结构示意图；

图2为螺旋药型固液火箭发动机中螺旋药柱各参数定义图；

图3为螺旋药型固液火箭发动机中螺旋药柱分段结构示意图。

图中：

1-头盖 2-喷注面板 3-前燃室壳体

4-前燃室绝热层 5-药柱 6-燃烧室壳体

7-后燃室壳体 8-后燃室绝热层 9-后封头壳体

10-后封头绝热层 11-喷管 12-喷管压板

13-直管段 14-螺旋段

具体实施方案

下面结合附图对本专利做进一步说明。

本发明专利螺旋药型固液火箭发动机，包括头盖1、喷注面板2、前燃室壳体3、前燃室绝热层4、药柱5、燃烧室壳体6、后燃室壳体7、后燃室绝热层8、后封头壳体9、后封头绝热层10、喷管11与喷管压板12，如图1所示。

所述头盖1、喷注面板2、前燃室壳体3、燃烧室壳体6、后燃室壳体7、后封头壳体9均选用不锈钢1Cr18Ni9Ti材料制成，且由前至后同轴设置，通过周向均布的螺钉穿过头盖1、喷注面板2、前燃室壳体3外缘后，与燃烧室壳体6前端设计的连接法兰相连固定，且两两之间通过O型圈密封。同样通过周向均布的螺钉穿过后封头壳体9外缘后，与燃烧室壳体6后端设计的连接法兰相连固定，两两之间通过O型圈密封。上述头盖1与喷注面板2之间形成积液腔，积液腔使得氧化剂均匀通过喷注面板2。喷注面板2与药柱5间为前燃室，形成扰流，起到稳定火焰的作用。药柱5和喷管11之间为后燃室，加强氧化剂和燃料的进一步掺混，提高燃烧效率。上述喷注面板2采用莲蓬式直流喷注，用于氧化剂的喷注雾化。喷管11选用钨渗铜材料制成，同轴插入后封头壳体9中心具有安装孔内，通过喷管11外壁周向上的台肩与安装孔内壁周向上的台肩配合，实现喷管11与后封头壳体9间的定位。喷管压板12套在喷管11外，与后封头壳体9后端面间固定，通过喷管压板12与喷管11外壁周向上的台肩配合，将喷管11压紧，实现喷管11与后封头壳体9间的固定；且后封头壳体9、喷管11与喷管压板12之间通过石墨垫片密封。

上述前燃室与后燃室的内壁周向上采用高温胶粘工艺分别安装有前燃室绝热层4与后燃室绝热层8；同时，喷管11前端与后封头壳体9间采用高温胶粘工艺安装有后封头绝热层10。所述前燃室绝热层4、后燃室绝热层8与后封头绝热层10均选用高硅氧材料。

所述药柱5为筒状，采用低密度聚乙烯材料，同轴安装于燃烧室壳体内。药柱5前部为直管段，内壁面平滑；后部为螺旋段，内壁面上设计有螺纹槽结构，一是增加主流湍流强度，增加主流与药柱5内壁面的换热；二是诱导主流流动由直流转变为旋流，增加主流与药柱5接触时间。两个方面均能有效增加药柱燃速，提高固液火箭发动机性能。

上述螺旋药柱参数包括药柱外径D、药柱内径d、药柱长度L、药柱直管段长度L1、螺距P、槽宽B与槽深h，如图2所示。其中，药柱外径、药柱内径与药柱长度根据发动机所需的氧化剂流量、推力、工作时间计算求得。药柱直管段长度、螺距、槽宽与槽深对燃速具有很大的影响。仿真计算和试验表明，螺距对燃速的影响大于槽深，槽深对燃速的影响大于槽宽。螺距越小，平均燃速越高，明显高于直管药型，增加幅度可达40％以上。随着螺纹槽深的增加，平均燃速增加，增加幅度约为15％～20％；但是槽底燃速随着槽深的增加而降低。随着螺纹槽宽增加，平均燃速略为增加，小于10％，没有槽深对平均燃速影响大。槽宽可以适当增加，但不宜过大。

综上，本发明专利针对药柱长度与药柱内径的比值在5～15、药柱内外径比在1/6～1/2范围的固液火箭发动机提出一组药柱5的优选结构参数，具体如下：

药柱5的直管段长度取1～2倍药柱内径，螺距取1/4～1/2倍药柱内径，槽宽取1/4倍螺距，槽深与槽宽之比约为1/5。

药柱5采用分段加工方案，如图3所示，将直管段13与螺旋段14间通过台肩配合定位后拼接固定，结构简单，直管段13与螺旋段14相接部位涂抹高温腻子即可有效避免相接缝隙蹿火，保障试验安全，且在实验结束后分别测量直管段13和螺旋段14质量变化，可以更精确的得到药柱5的直管段13和螺旋段14的平均燃速。

氧化剂由头盖1进入积液腔，随后，氧化剂经前燃室后，由喷注面,2喷入燃烧室，与药柱5燃烧反应，产生高温高压燃气，高温高压燃气经后燃室后由喷管11喷出，产生推力。