一种复合材料推力室的新型连接结构的制作方法

本发明涉及一种液体双组元轨姿控发动机推力室复合材料和金属材料的连接方式领域，特别是一种复合材料推力室的新型连接结构。

背景技术：

优化推力室结构设计，有效降低推力室结构重量，是高性能推力室设计需考虑的重要因素之一。采用密度小、具有良好高温性能的复合材料(c/sic、c-c)喷管或延伸段是实现推力室轻质、高性能的重要途径。

但复合材料推力室的应用很大程度上取决于连接技术的发展。目前，液体双组元轨姿控发动机复合材料构件的连接主要是推力室钛合金头部与复合材料喷管的连接、金属喷管与复合材料延伸段之间的连接，归结起来是复合材料和金属材料的连接，连接的方法可采用机械连接和焊接两种方法。

机械连接主要方式为螺栓－法兰连接和螺纹连接，连接方式结构笨重，难以满足轨姿控发动机轻质、高性能的要求，且可靠性欠佳、重复使用率低。欧空局卫星用400n推力室采用c/sic作为喷管，其头身连接就采用了螺栓－法兰连接。而金属材料与复合材料的钎焊技术尚不成熟。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种复合材料推力室的新型连接结构，不仅适用于金属头部与复合材料喷管的连接，也适用于金属喷管与复合材料延伸段的连接，可简化连接结构，减轻推力室重量。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种复合材料推力室的新型连接结构，包括端头、过渡金属连接环、膨胀石墨密封圈、压环和喷管；其中，端头为圆台状结构；过渡金属连接环的一端沿轴向与端头固定连接；喷管沿轴向与过渡金属连接环固定连接；膨胀石墨密封圈套装在喷管与过渡金属连接环之间；压环固定安装在过渡金属连接环的轴向另一端；且压环固定安装在喷管与过渡金属连接环的连接处。

在上述的一种复合材料推力室的新型连接结构，所述的过渡金属连接环为中空双环柱体结构；包括内环柱和外环柱；外环柱包裹在内环柱的外壁；且外环柱与内环柱之间设置有环形凹槽。

在上述的一种复合材料推力室的新型连接结构，所述内环柱的内径l1为14-16mm；内环柱壁厚l2为1.4-1.6mm；过渡金属连接环外壁直径l3为23-26mm；过渡金属连接环轴向长度l5为12-15mm；外环柱壁厚l4为1-1.4mm；环形凹槽径向宽度l6为2-3mm。

在上述的一种复合材料推力室的新型连接结构，所述的端头、过渡金属连接环和压环均采用钛合金材料。

在上述的一种复合材料推力室的新型连接结构，所述膨胀石墨密封圈固定安装在环形凹槽内；且在喷管的挤压下，膨胀石墨密封圈沿轴向向端头方向压缩；膨胀石墨密封圈的最大压缩量为原轴向长度的25％-30％。

在上述的一种复合材料推力室的新型连接结构，所述喷管为变径柱体结构；喷管的大径端与过渡金属连接环的轴向一端接触；且喷管的大径端的外壁与过渡金属连接环的外环柱内壁接触；喷管的内径为为14-16mm；喷管小径端的壁厚l7为1.5-1.7mm。

在上述的一种复合材料推力室的新型连接结构，所述压环为截面为l形的中空环状结构；压环的拐角处与外环柱的轴向一端固定连接；压环的伸长端与喷管的大径端轴向接触。

在上述的一种复合材料推力室的新型连接结构，所述压环内壁的直径比喷管小径端的外壁直径大0.7-1.7mm。

在上述的一种复合材料推力室的新型连接结构，所述端头与过渡金属连接环之间通过焊接连接；压环与过渡金属连接环之间通过焊接连接。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明采用了“过渡金属连接环-石墨密封-电子束焊接连接”的结构方式，实现了推力室金属头部与复合材料喷管的有效密封和紧凑、可靠连接，满足发动机轻质化、高推质比的要求；

(2)本发明针对金属材料头部与复合材料喷管的密封问题，采用了沉入式密封结构，将膨胀石墨密封圈装入过渡金属连接环的密封槽内，通过复合材料喷管插入密封槽并卡紧压环来压紧密封。沉入式密封结构密封槽的体积为密封圈体积的四分之三左右，并采用专门的膨胀石墨密封圈；经热试车试验验证，良好地实现了过渡金属连接环与复合材料喷管的有效密封；

(3)本发明装配时依次将膨胀石墨密封圈、复合材料喷管、压环压入过渡金属连接环内的密封槽中，并采用专用焊接工装将密封圈压紧；然后，采用真空电子束焊将过渡金属连接环和压环进行焊接；最后再采用真空电子束焊将金属头部和过渡金属连接环进行焊接，实现了发动机结构紧凑、连接可靠的要求。其中，压环使用两个半环对接并压紧的结构方式实现了不同出口尺寸的复合材料喷管的有效连接。

附图说明

图1为本发明复合材料喷管推力室头身连接结构示意图；

图2为本发明过渡金属连接环示意图；

图3为本发明喷管示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明提供一种复合材料推力室的新型连接结构，推力室金属端头1与复合材料喷管5的连接为“过渡金属连接环2-膨胀石墨密封圈3-电子束焊接连接”结构。

如图1所示为复合材料喷管推力室头身连接结构示意图，由图可知，一种复合材料推力室的新型连接结构包括端头1、过渡金属连接环2、膨胀石墨密封圈3、压环4和喷管5；其中，端头1为圆台状结构；过渡金属连接环2的一端沿轴向与端头1固定连接；喷管5沿轴向与过渡金属连接环2固定连接；膨胀石墨密封圈3套装在喷管5与过渡金属连接环2之间；压环4固定安装在过渡金属连接环2的轴向另一端；且压环4固定安装在喷管5与过渡金属连接环2的连接处。端头1、过渡金属连接环2和压环4均采用钛合金材料。端头1与过渡金属连接环2之间通过焊接连接；压环4与过渡金属连接环2之间通过焊接连接。

如图2所示为过渡金属连接环示意图，由图可知，过渡金属连接环2为中空双环柱体结构；包括内环柱2-1和外环柱2-2；外环柱2-2包裹在内环柱2-1的外壁；且外环柱2-2与内环柱2-1之间设置有环形凹槽2-3。其中，内环柱2-1的内径l1为14-16mm；内环柱2-1壁厚l2为1.4-1.6mm；过渡金属连接环2外壁直径l3为23-26mm；过渡金属连接环2轴向长度l5为12-15mm；外环柱2-2壁厚l4为1-1.4mm；环形凹槽2-3径向宽度l6为2-3mm。

膨胀石墨密封圈3固定安装在环形凹槽2-3内；且在喷管5的挤压下，膨胀石墨密封圈3沿轴向向端头1方向压缩；膨胀石墨密封圈3的最大压缩量为原轴向长度的25％-30％。

如图3所示为喷管示意图，由图可知，喷管5为变径柱体结构；喷管5的大径端与过渡金属连接环2的轴向一端接触；且喷管5的大径端的外壁与过渡金属连接环2的外环柱2-2内壁接触；喷管5的内径为为14-16mm；喷管5小径端的壁厚l7为1.5-1.7mm。

压环4为截面为l形的中空环状结构；压环4的拐角处与外环柱2-2的轴向一端固定连接；压环4的伸长端与喷管5的大径端轴向接触。压环4内壁的直径比喷管5小径端的外壁直径大0.7-1.7mm。

具体装配过程是：首先将膨胀石墨密封圈3装入过渡金属连接环2的环形凹槽2-3内，然后将喷管5装入过渡金属连接环2内，再将压环4压入过渡金属连接环2，随后利用专用工装将压环4、喷管5与过渡金属连接环2压紧。压紧后，膨胀石墨密封圈3变形充满整个密封槽实现密封功能，接着进行过渡金属连接环2与压环4的电子束焊接，最后进行推力室端头1与过渡金属连接环2的电子束焊接，从而完成整个推力室的生产。

推力室头身连接结构的关键技术，主要体现在：

过渡金属连接环内设计合适的密封槽，用压环4将复合材料喷管5与过渡金属连接环2压紧，膨胀石墨密封圈4变形充满环形凹槽2-3，然后以电子束焊接连接，随后将推力室金属端头1与过渡金属连接环2焊接，完成整个推力室的生产。“过渡金属连接环-石墨密封-电子束焊接连接”的结构设计，可保证连接密封有效、结构紧凑可靠，推力室整体结构重量大幅减轻，满足轻质、高性能、高可靠性的要求。通过理论计算优化密封槽体积，以良好地适应石墨密封圈3的体积膨胀率。在发动机试车时，石墨密封圈3受热膨胀，实现良好的密封效果。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。