一种用于单组元高温合金喷注器与陶瓷喷管的连接结构的制作方法

本发明属于液体火箭发动机的单组元催化分解推力器领域，尤其涉及一种用于单组元高温合金喷注器与陶瓷喷管的连接结构。

背景技术：

单组元催化分解推力器是液体火箭发动机的一种，广泛应用于卫星、导弹、上面级等航天器中。单组元催化分解推力器一般由电磁阀、喷注器和喷管(含催化床)组成，催化床内装填有颗粒状的催化剂。当推力器工作时，电磁阀打开，喷注器将较为集中的推进剂进行分散，并维持一定的流量-压降对应关系，分散状态的推进剂与催化剂进行接触，在催化剂的催化作用下，推进剂发生化学分解及燃烧，并释放化学能，所产生的高温高压燃气通过喷管加速排出，从而形成推力。

对于单组元催化分解推力器，喷管催化床段的工作环境最为苛刻，其内部为高温燃气。因此，在单组元催化分解推力器的设计中，制备喷管所选用的材料要具有优良的耐高温特性，喷管与喷注器的连接也要在常温至燃气温度这一较广的温度范围内均具有较好的密封特性和结构强度。

传统的单组元肼催化分解推力器的催化床处燃气温度约为900℃，相应的喷管采用高温合金材料进行制备，所选牌号的高温合金可在950℃下长期工作，对于单组元肼催化分解推力器的实际工况具有充足的裕度。并且，喷管和喷注器采用同牌号高温合金材料，其连接可采用真空电子束焊焊接，该种连接在常温至900℃的范围内均具有较好的密封特性和结构强度。

但是，随着新型绿色无毒单组元催化分解推力器的研制，采用新型高能推进剂，催化床处燃气温度达到了1600℃左右，喷管无法继续采用高温合金，需要选用耐高温性能更为优越的材料。陶瓷材料由于具备较好的耐高温性能、较低的密度和较优的成本，便成为较理想的可选材料之一。然而，陶瓷喷管与金属喷注器由于是异种材料，不仅无法直接真空电子束焊连接，甚至尚不具备可靠的焊接连接技术。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于单组元高温合金喷注器与陶瓷喷管的连接结构，解决了金属喷注器与陶瓷喷管的异种材料可靠连接问题。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种用于单组元高温合金喷注器与陶瓷喷管的连接结构，包括：喷注面板、柔性石墨垫圈、半圆环、螺钉、弹簧垫片、平垫片、密封压环和陶瓷喷管；其中，所述喷注面板的上端面与喷注器相连接；所述柔性石墨垫圈套设于所述陶瓷喷管的外表面，所述柔性石墨垫圈的一端面与所述喷注面板的第一下端面相贴合，所述柔性石墨垫圈的另一端面与所述陶瓷喷管的传力凸台的上端面相贴合；所述陶瓷喷管的顶端与所述喷注面板的第二下端面相贴合；所述半圆环套设于所述陶瓷喷管的外表面，所述半圆环的一端面与所述陶瓷喷管的传力凸台的下端面相贴合，所述半圆环的另一端面与所述密封压环的一端面相贴合；所述密封压环套设于所述陶瓷喷管的外表面；所述弹簧垫片套设于所述陶瓷喷管的外表面；所述平垫片套设于所述陶瓷喷管的外表面；所述平垫片位于弹簧垫片和密封压环之间；所述螺钉依次穿过弹簧垫片、平垫片和密封压环，与所述喷注面板螺纹连接。

上述用于单组元高温合金喷注器与陶瓷喷管的连接结构中，所述喷注面板包括套筒和若干个凸耳法兰；其中，若干个凸耳法兰设置于所述套筒的外周面；所述套筒上设置有第一级平面台阶槽和第二级平面台阶槽。

上述用于单组元高温合金喷注器与陶瓷喷管的连接结构中，所述陶瓷喷管包括第一级圆柱管、传力凸台、第二级圆柱管、第三级圆柱管、第四级圆柱管、收敛段、喉部和扩张段；其中，第一级圆柱管、传力凸台、第二级圆柱管、第三级圆柱管、第四级圆柱管、收敛段、喉部和扩张段依次一体连接。

上述用于单组元高温合金喷注器与陶瓷喷管的连接结构中，所述第一级平面台阶槽的内径为d11，所述第一级平面台阶槽的槽深为h11，所述第二级平面台阶槽的内径为d12；其中，d11和d12的关系满足公式：d11-d12≥8.5mm。

上述用于单组元高温合金喷注器与陶瓷喷管的连接结构中，所述柔性石墨垫圈的外径为d21，内径为d22，厚度为h21；其中，d21和d22的关系满足公式：7.5mm≤d21-d22＜8mm。

上述用于单组元高温合金喷注器与陶瓷喷管的连接结构中，所述密封压环的外径为d41，内径为d42；其中，d41和d42的关系满足公式：d41-d42≥15mm。

上述用于单组元高温合金喷注器与陶瓷喷管的连接结构中，第一级圆柱管外径为d51，传力凸台外径为d52，第二级圆柱管外径为d53；其中，d51、d52和d53的关系满足如下公式：d52-d51≥8mm；d52-d53≥7mm。

上述用于单组元高温合金喷注器与陶瓷喷管的连接结构中，d11、d12、d21、d22、d51和d52的关系满足如下公式：d11-d52≥0.5mm；d22＞d12＞d51；d52≥d21。

上述用于单组元高温合金喷注器与陶瓷喷管的连接结构中，所述半圆环外径为d31，内径为d32；其中，d31、d32、d42、d52和d53的关系满足如下公式：0＜d32-d53＜0.1mm；d42-d52≥0.5mm；d31-d42≥4mm。

上述用于单组元高温合金喷注器与陶瓷喷管的连接结构中，h11和h21的关系满足公式：h11-h21≥0.2mm。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1)现有单组元催化分解推力器所采用的真空电子束焊连接技术无法将金属喷注器与陶瓷喷管可靠连接，本发明的连接结构可有效解决该问题；

(2)本发明将陶瓷喷管应用于单组元催化分解推力器变为可能，并促进了新型高能绿色无毒单组元催化分解推力器的技术进步，充分发挥了陶瓷材料耐高温、低密度的特性，减轻了产品重量、优化了产品结构、降低了产品成本；

(3)将螺纹连接挤压密封所需的两个挤压面板中的一个面板与喷注器零件之一的喷注面板设计为一体件，减少了零件数量，简化了结构；

(4)两个挤压面板中的另一个面板并未采用第一个面板的设计思路，未设计成与喷管一体，而是设计成密封压环和半圆环两级传力结构。该设计可以避免出现由于陶瓷材料脆性较大的特性所导致的一体化零件中直接承受螺钉挤压力的位置处发生剪切破坏的情况；同时，密封压环和半圆环的两级传力结构可使得实际装配过程中，密封压环可以从喷管入口穿入，从两侧装入半圆环后进行连接，从而使得该新型连接结构的应用不受限于喷管扩张段的扩张比大小；

(5)喷注面板在设计上有套筒段，可将喷管的传力凸台囊括其中，该设计可控制柔性石墨垫圈挤压变形过程，减少变形空间，提升了柔性石墨垫圈变形后的致密性，使其具有更好的密封效果；

(6)该新型连接结构装配到位时，喷管入口端面将挤压至喷注面板内端面，该设计可有效将柔性石墨垫圈与燃气隔离，避免燃气中的氧化性成分与柔性石墨垫圈发生化学反应而导致的密封失效。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的用于单组元高温合金喷注器与陶瓷喷管的连接结构的示意图；

图2(a)是本发明实施例提供的喷注面板的结构示意图；

图2(b)是本发明实施例提供的喷注面板的剖面图；

图3(a)是本发明实施例提供的柔性石墨垫圈的结构示意图；

图3(b)是本发明实施例提供的柔性石墨垫圈的剖面图；

图4(a)是本发明实施例提供的半圆环的结构示意图；

图4(b)是本发明实施例提供的半圆环的剖面图；

图5(a)是本发明实施例提供的密封压环的结构示意图；

图5(b)是本发明实施例提供的密封压环的剖面图；

图6是本发明实施例提供的陶瓷喷管的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例提供的用于单组元高温合金喷注器与陶瓷喷管的连接结构的示意图。如图1所示，该用于单组元高温合金喷注器与陶瓷喷管的连接结构包括：喷注面板1、柔性石墨垫圈2、半圆环3、螺钉4、密封压环7和陶瓷喷管8。其中，

喷注面板1的上端面11与喷注器相连接。

柔性石墨垫圈2套设于陶瓷喷管8的外表面，柔性石墨垫圈2的一端面(图1所示的上端面)与喷注面板1的第一下端面12相贴合，所述柔性石墨垫圈2的另一端面(图1所示的下端面)与所述陶瓷喷管8的传力凸台82的上端面821相贴合，所述陶瓷喷管8的顶端与所述喷注面板1的第二下端面13相贴合。

半圆环3套设于陶瓷喷管8的外表面，半圆环3的一端面与陶瓷喷管8的传力凸台(82)的下端面822相贴合，半圆环3的另一端面与密封压环7的一端面相贴合；密封压环7套设于陶瓷喷管8的外表面；螺钉4穿过密封压环7与喷注面板1螺纹连接。

如图1所示，该结构还包括弹簧垫片5。其中，弹簧垫片5套设于陶瓷喷管8的外表面；螺钉4依次穿过弹簧垫片5和密封压环7，与喷注面板1螺纹连接。

如图1所示，该结构还包括平垫片6。其中，平垫片6套设于陶瓷喷管8的外表面；平垫片6位于弹簧垫片5和密封压环7之间；螺钉4依次穿过弹簧垫片5、平垫片6和密封压环7，与所述喷注面板1螺纹连接。

如图2(a)和图2(b)所示，喷注面板1包括套筒13和若干个凸耳法兰14。其中，

若干个凸耳法兰14设置于套筒13的外周面；套筒13上设置有第一级平面台阶槽131和第二级平面台阶槽132。

第一级平面台阶槽131的内径为d11，第一级平面台阶槽131的槽深为h11，所述第二级平面台阶槽132的内径为d12；其中，d11和d12的关系满足公式：d11-d12≥8.5mm。

如图6所示，陶瓷喷管8包括第一级圆柱管81、传力凸台82、第二级圆柱管83、第三级圆柱管84、第四级圆柱管85、收敛段86、喉部87和扩张段88。其中，

第一级圆柱管81、传力凸台82、第二级圆柱管83、第三级圆柱管84、第四级圆柱管85、收敛段86、喉部87和扩张段88依次相连接，且为一体连接。

如图3(a)和图3(b)所示，柔性石墨垫圈2的结构为完整的圆柱型圆环，外径为d21，内径为d22，厚度为h21；其中，d21和d22的关系满足公式：7.5mm≤d21-d22＜8mm。

如图4(a)和图4(b)所示，半圆环3是由完整的圆柱型圆环分割成两片完全相同的半片环，外径为d31，内径为d32。

如图5(a)和图5(b)所示，密封压环7的结构为完整的圆柱型圆环，在圆环端面均布多个用于穿过螺钉4用的光孔，外径为d41，内径为d42；其中，d41和d42的关系满足公式：d41-d42≥15mm。密封压环7的光孔与喷注面板1的螺纹孔数量一致，位置关系对应。

如图6所示，陶瓷喷管8包括多级圆柱管、传力凸台、收敛段、喉部和扩张段，第一级圆柱管外径为d51，传力凸台外径为d52，第二级圆柱管外径为d53。其中，d51、d52和d53的关系满足如下公式：d52-d51≥8mm；d52-d53≥7mm。

柔性石墨垫圈2安装于喷注面板1与陶瓷喷管8的传力凸台上端面之间；半圆环3安装于密封压环7上端面和陶瓷喷管8的传力凸台下端面之间；螺钉4穿过弹簧垫片5、平垫片6和密封压环7的光孔与喷注面板1的螺纹通孔连接，通过拧紧螺纹施加压力，将压力从螺钉4经弹簧垫片5、平垫片6、密封压环7、半圆环3和陶瓷喷管8的传力凸台传递至柔性石墨垫圈2，在挤压力的作用下，柔性石墨垫圈2被压缩变形，从而起到密封作用。

如图1所示，陶瓷喷管8传力凸台外径d52、喷注面板1中第一级平面台阶槽内径d11、喷注面板1中第一级平面台阶槽深h11和柔性石墨垫圈2的厚度h21之间的关系应满足公式d11-d52≥0.5mm和公式h11-h21≥0.2mm，这样设置可以控制柔性石墨垫圈挤压变形过程，减少变形空间，提升柔性石墨垫圈变形后的致密性，使其具有更好的密封效果。

密封压环7内径d42与陶瓷喷管8传力凸台外径d52之间的关系应满足公式d42-d52≥0.5mm，这样设置可令密封压环从喷管入口穿入，从两侧装入半圆环3后进行连接，从而使得该新型连接结构的应用不受限于喷管扩张段的扩张比大小。

柔性石墨垫圈2厚度h21的选取应满足达到压缩密封效果后，陶瓷喷管8的第一级圆柱管d51端面与喷注面板1第二级平面台阶槽d12端面贴合，使得可以有效将柔性石墨垫圈与燃气隔离，避免燃气中的氧化性成分与柔性石墨垫圈发生化学反应而导致的密封失效。

喷注面板1、柔性石墨垫圈2、半圆环3、密封压环7和喷管8的传力面形状为圆环形、多边形、多段弧形或上述形式的组合。

现有单组元催化分解推力器所采用的真空电子束焊连接技术无法将金属喷注器与陶瓷喷管可靠连接，本实施例的连接结构可有效解决该问题；本实施例将陶瓷喷管应用于单组元催化分解推力器变为可能，并促进了新型高能绿色无毒单组元催化分解推力器的技术进步，充分发挥了陶瓷材料耐高温、低密度的特性，减轻了产品重量、优化了产品结构、降低了产品成本；本实施例将螺纹连接挤压密封所需的两个挤压面板中的一个面板与喷注器零件之一的喷注面板设计为一体件，减少了零件数量，简化了结构。

本实施例的两个挤压面板中的另一个面板并未采用第一个面板的设计思路，未设计成与喷管一体，而是设计成密封压环和半圆环两级传力结构，该设计可以避免出现由于陶瓷材料脆性较大的特性所导致的一体化零件中直接承受螺钉挤压力的位置处发生剪切破坏的情况；同时，密封压环和半圆环的两级传力结构可使得实际装配过程中，密封压环可以从喷管入口穿入，从两侧装入半圆环后进行连接，从而使得该新型连接结构的应用不受限于喷管扩张段的扩张比大小。

本实施例的喷注面板在设计上有套筒段，可将喷管的传力凸台囊括其中，该设计可控制柔性石墨垫圈挤压变形过程，减少变形空间，提升了柔性石墨垫圈变形后的致密性，使其具有更好的密封效果；该新型连接结构装配到位时，喷管入口端面将挤压至喷注面板内端面，该设计可有效将柔性石墨垫圈与燃气隔离，避免燃气中的氧化性成分与柔性石墨垫圈发生化学反应而导致的密封失效。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。