一种可产生侧向推力的固体发动机喷管及其设计方法与流程

本发明属于固体火箭发动机技术领域，具体涉及一种可产生侧向推力的固体发动机喷管及其设计方法。

背景技术：

随着固体火箭发动机的发展，发动机的种类越来越多样化，发动机的结构设计显得愈发重要。近年来，总体部门对发动机提出了新的要求，发动机工作过程中，需要同时产生轴向推力和侧向推力。

因此，针对特定工作环境，若能设计一种结构简单、且可以产生侧向推力的固体火箭发动机，降低由于产生侧向推力而来带的消极质量的增加或喷管出口燃气流动不对称带来推力的损失，将对导弹或火箭的设计产生积极效果。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种可产生侧向推力固体发动机喷管及其设计方法，将喷管收敛段设计成球形非对称结构，使喷管出口燃气对称流动，并与燃烧室轴线方向呈一定夹角，保证发动机工作过程中同时产生轴向推力和侧向推力，降低喷管出口非对称流动带来的推力损失。

实现本发明的技术方案如下：

一种可产生侧向推力固体发动机喷管，所述喷管的收敛段为球形非对称结构，球心位于发动机轴线与喷管轴线交点处，收敛段内、外型面为球面，与喷管轴线不对称，收敛段段绝热层分界面半角与喷管轴线对称，主要由收敛段绝热层和包覆于绝热层外的壳体组成，所述喷管轴线与发动机轴线之间形成一定的夹角。

一种可产生侧向推力的固体发动机喷管设计方法，具体过程为：

一、设计喷管收敛段由收敛段绝热层和包覆于绝热层外的壳体组成的球形非对称结构，且收敛段与喉衬组件之间的连接面为台阶面，所述喷管轴线与发动机轴线之间形成一定的夹角；

二，设计收敛段绝热层内径

根据发动机喷管的喉径dt和喷管燃烧室接口尺寸计算收敛段绝热层球内径sr；

其中，ε为收敛比，为设定的收敛段绝热层分界面半角；

三，设计收敛段绝热层厚度

根据收敛段内型面最长母线剖面(即收敛段绝热层起始位置与发动机轴线成剖面)最大平均烧蚀率r1和碳化率r2，计算收敛段绝热层最小厚度t1；

(t1-(r1+r2)t)/t1≥f(3)

其中，t为发动机工作时间，f为安全裕度；

四，判断步骤二和三设计的参数是否满足要求公式(4)，若满足进入步骤五，否则返回步骤二；

其中，为燃烧室接口尺寸；

五，设计喷管收敛段壳体最小厚度t2，使其满足许用应力的要求，

其中，pc为燃烧室压强，[σ]为许用应力；

至此，完成发动机喷管的设计。

进一步地，本发明所述的取值范围为35°～55°。

进一步地，本发明所述收敛段绝热与喉衬组件连接处的台阶面的台阶不小2级。

有益效果

本发明可产生侧向推力固体发动机喷管将收敛段设计球形非对称结构形式，且使发动机轴线和喷管轴线形成一定夹角，该结构保证发动机在工作过程中，可以同时产生轴向推力和侧向推力，燃气在扩张段对称流动，降低了非对称流动的推力损失，结构简单、工艺可实施性强、可靠性高。

附图说明

图1为本发明发动机喷管结构示意图；

其中，1-收敛段绝热层，2-喷管收敛段壳体，3-喷管喉衬组件和扩张段

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。

本发明一种可产生侧向推力的固体发动机喷管，如图1所示，其中该喷管的收敛段结构由收敛段绝热层1和包覆于绝热层外的壳体2组成，收敛段绝热层起抗冲刷、隔热作用，喷管收敛段壳体起承压作用，并连接燃烧室；收敛段与喉衬组件之间的连接面为台阶面，喷管轴线与发动机轴线之间形成一定的夹角。

本发明可产生侧向推力固体发动机喷管将收敛段设计球形非对称结构形式，球心位于发动机轴线与喷管轴线交点处，收敛段内、外型面为球面，与喷管轴线不对称，收敛段段绝热层分界面半角与喷管轴线对称，该结构保证发动机在工作过程中，可以同时产生轴向推力和侧向推力，燃气在扩张段对称流动，降低了非对称流动的推力损失，结构简单、工艺可实施性强、可靠性高。

本发明一种可产生侧向推力的固体发动机喷管设计方法，具体过程为：

(1)设计喷管收敛段由收敛段绝热层和包覆于绝热层外的壳体组成的球形非对称结构，且收敛段与喉衬组件之间的连接面为台阶面，所述喷管轴线与发动机轴线之间形成一定的夹角。

(2)设计收敛段绝热层内径(即可确定收敛段绝热层内型面)

根据发动机工作条件设计出喷管喉衬内型面，得到喉径dt。偏转角θ一般取10°～45°，收敛比ε取2～3，ε随偏转角θ增大而增大。

式中—设定的收敛段绝热层分界面半角，在35°～55°范围内选定；

—燃烧室接口尺寸mm。

根据公式(1)和(2)可以得到sr允许的范围内，选定sr。

(3)设计收敛段绝热层厚度及连接

收敛段绝热层在收敛段内型面最长母线剖面(i象限线剖面)位置冲刷最严重，平均烧蚀率和碳化率分别为r1和r2。工作后收敛绝热层未碳化厚度不小于总厚度的f。

(t1-(r1+r2)t)/t1≥f(3)

式中t—发动机工作时间s，f—安全裕度。

根据公式(3)计算得到收敛段绝热层最小厚度t1。

收敛段绝热层与喉衬组件连接处台阶不小2级，台阶高h1、h2和长l1不小于4mm。

(4)燃烧室接口尺寸校核

燃烧室接口尺寸需满足以下要求，

若公式(4)不满足要求，返回(2)重新计算sr和t1。

(5)喷管壳体收敛段厚度设计

采用球面拉应力校核喷管壳体收敛段，拉应力为

式中pc—燃烧室压强mpa；

[σ]—许用应力mpa。

根据公式(5)计算得到喷管壳体收敛段最小厚度t2。

自此，完成发动机喷管的设计。

喷管收敛段结构装配顺序为扩张段绝热层与喷管壳体粘接，接着粘接喉衬组件，随后收敛段绝热层与喉衬组件和喷管壳体收敛段粘接，最后加压固化。

实例：

本实例以某发动机喷管收敛段设计为例进行说明，本设计发动机的最大工作压力pc＝12.7mpa，工作时间t＝3s，燃烧室接口尺寸喷管偏转角θ＝20°。

1)根据发动机工作条件进行喉衬型面设计得到dt＝91mm，收敛比ε＝2，代入公式(1)和公式(2)，取sr＝85.5mm，

2)收敛段绝热层平均烧蚀率r1＝0.65mm/s、碳化率r2＝2.0mm/s、f＝0.4带入公式(3)，取t1＝14mm；收敛段绝热与喉衬组件连接处台阶为2级,h1、h2、l1为4mm。

3)将sr、t1代入公式(4)，满足要求；

4)喷管壳体收敛段材料[σ]许用应力为360mpa，将sr、t1、pc代入公式(5)，得到t2≥1.8mm，考虑机加偏差、热处理等因素，取t2＝2.2mm。

自此，设计完成。

本发明的上述描述和附图代表了本发明的优选方案，本领域技术人员可以根据不同的固体火箭发动机需求，在不偏离本发明权利要求所界定的范围内进行各种改进，因此，本发明是广泛的。