单室双推力固体发动机及其喷管的制作方法

1.本技术涉及固体发动机技术领域，尤其涉及一种单室双推力固体发动机及其喷管。


背景技术：

2.单室双推力固体发动机可简述为一台固体发动机通过装填不同燃速的推进剂或者通过药型设计实现两级推力。固体发动机点火，一级装药燃烧，固体发动机产生一级推力，一级装药燃烧结束后二级装药点燃，固体发动机产生二级推力。一般而言，固体发动机工作的第一阶段的特点为推力大、时间短，往往通过使用高燃速推进剂或者增大一级药柱燃面来实现；固体发动机工作的第二阶段的特点为小推力、长航时，往往通过使用低燃速推进剂或者小燃面药柱来实现。
3.喷管是固体发动机的能量转换装置，主要功能为通过喷管的喉部面积控制燃气的质量流率，使固体发动机的燃烧室内的燃气压强保持在预定水平，并确保装药的正常燃烧，使推进剂燃烧产物膨胀加速，将其热能充分转换为燃气的动能，通过燃气的高速喷出获得反作用推力。对于一些特种战术武器的固体发动机而言，进行装药设计时受直径、长度等限制难以保证两级推力比要求，因此如何保证固体发动机的两级推力比要求，是目前本领域技术人员需要解决的技术问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术提供了一种单室双推力固体发动机喷管，以保证固体发动机的两级推力比要求。
5.为解决上述技术问题，本技术提供如下技术方案：
6.一种单室双推力固体发动机喷管，包括：喷管壳体、尾管绝热套、扩张段绝热套和喉衬，喉衬包括：前段喉衬、烧蚀喉衬、中段喉衬和后段喉衬，前段喉衬和后段喉衬的热导率低于中段喉衬的热导率；其中，扩张段绝热套固定于喷管壳体内，并且扩张段绝热套具有喉衬安装孔，喉衬安装孔内具有限位台阶；喉衬固定于扩张段绝热套的喉衬安装孔内，并且后段喉衬与喉衬安装孔内的限位台阶配合，前段喉衬与喉衬安装孔内的限位台阶之前的部分配合；后段喉衬具有中段喉衬安装孔，中段喉衬安装孔内具有限位台阶；前段喉衬具有烧蚀喉衬配合孔，前段喉衬的后端面与后段喉衬的前端面配合接触，并且前段喉衬的后端面具有中段喉衬固定槽；中段喉衬固定于后段喉衬的中段喉衬安装孔中，并且与中段喉衬安装孔内的限位台阶配合，中段喉衬的前端插入至前段喉衬的后端面上的中段喉衬固定槽中；烧蚀喉衬固定于前段喉衬的烧蚀喉衬配合孔中，并且其后端与中段喉衬的前锥面配合；尾管绝热套固定于喷管壳体内，并且尾管绝热套的后端面靠近内侧的部分与前段喉衬的烧蚀喉衬配合孔的前部分的锥面配合，其靠近外侧的部分与扩张段绝热套的前端配合。
7.如上所述的单室双推力固体发动机喷管，其中，优选的是，烧蚀喉衬的材质为非金属烧蚀材料或者超低燃速高强推进剂，烧蚀喉衬作为发动机一级喉衬。
8.如上所述的单室双推力固体发动机喷管，其中，优选的是，中段喉衬的材质为钨渗铜材料或者tzm钼合金材料，中段喉衬作为发动机二级喉衬，后段喉衬的材质为c/c复合材料，前段喉衬的材质为c/c复合材料，用于固定和约束中段喉衬。
9.如上所述的单室双推力固体发动机喷管，其中，优选的是，扩张段绝热套的喉衬安装孔内的限位台阶为锥形限位台阶，且喉衬安装孔内的锥形限位台阶的大端朝向前方；后段喉衬的后段的外径由前至后逐渐减小，以与喉衬安装孔内的锥形限位台阶配合；喉衬安装孔内限位台阶之前的部分的直径不变；后段喉衬的前段的外径不变，以与喉衬安装孔配合；前段喉衬的外径不变，以与喉衬安装孔配合。
10.如上所述的单室双推力固体发动机喷管，其中，优选的是，后段喉衬的中段喉衬安装孔内的限位台阶为锥形限位台阶，且中段喉衬安装孔内的锥形限位台阶的大端朝向前方；中段喉衬的后段与中段喉衬安装孔内的锥形限位台阶配合。
11.如上所述的单室双推力固体发动机喷管，其中，优选的是，中段喉衬安装孔内限位台阶之前的部分中靠近前方的部分的直径由前至后逐渐减小，喉衬安装孔内限位台阶之前的部分中靠近后方的部分的直径不变；中段喉衬的前段靠近前方的部分的外径由前至后逐渐减小，以与中段喉衬安装孔的前部分靠近前方的部分配合，中段喉衬的前段靠近后方的部分的外径不变，以与中段喉衬安装孔的前部分靠近后方的部分配合。
12.如上所述的单室双推力固体发动机喷管，其中，优选的是，前段喉衬的烧蚀喉衬配合孔的后部分的直径不变；烧蚀喉衬的前段的外径不变，以与前段喉衬的烧蚀喉衬配合孔的后部分配合；烧蚀喉衬的后段的外径由前至后逐渐减小，以作为后端与中段喉衬的前锥面配合。
13.如上所述的单室双推力固体发动机喷管，其中，优选的是，前段喉衬的烧蚀喉衬配合孔的前部分的直径由前至后逐渐减小，尾管绝热套的后端面靠近内侧的部分为从前至后逐渐向内倾斜的斜面，以与前段喉衬的烧蚀喉衬配合孔的前部分配合。
14.如上所述的单室双推力固体发动机喷管，其中，优选的是，尾管绝热套的后端面靠近内侧的斜面伸入至烧蚀喉衬孔的前部分靠近前方的部分，以对烧蚀喉衬进行压紧固定。
15.一种单室双推力固体发动机，包括：燃烧室壳体和上述任一项所述的单室双推力固体发动机喷管，单室双推力固体发动机喷管对接至燃烧室壳体。
16.相对上述背景技术，本技术所提供的单室双推力固体发动机及其喷管可以保证固体发动机的两级推力比要求。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1是本技术实施例所提供的单室双推力固体发动机喷管的示意图。
19.其中，110-喷管壳体、120-尾管绝热套、130-扩张段绝热套、140喉衬、141-前段喉衬、142-烧蚀喉衬、143-中段喉衬、144-后段喉衬。
具体实施方式
20.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能解释为对本技术的限制。
21.另外，诸如“上”、“下”、“前”、“后”等空间关系术语用于使描述方便，以解释两个部件之间的位置关系。本技术中的“前”指的是朝向燃烧室的方向，“后”指的是朝向喷管出口的方向。
22.请参阅图1，图1是本技术实施例所提供的单室双推力固体发动机喷管的示意图。
23.本技术提供了一种单室双推力固体发动机喷管，包括：喷管壳体110、尾管绝热套120、扩张段绝热套130和喉衬140。其中，喉衬140包括：前段喉衬141、烧蚀喉衬142、中段喉衬143和后段喉衬144。
24.扩张段绝热套130固定于喷管壳体110内，喷管壳体110与单室双推力固体发动机的燃烧室壳体进行连接，并且喷管壳体110对其内部的尾管绝热套120、扩张段绝热套130和喉衬140进行约束，同时实现推力传递的作用。可选的，喷管壳体110的材质为30crmnsia合金钢材料。
25.并且，扩张段绝热套130具有贯穿前后两端的喉衬安装孔，喉衬安装孔内具有限位台阶，喉衬安装孔内的限位台阶以及限位台阶之前的部分用于容纳并固定喉衬140，以为喉衬140提供有效支撑。可选的，扩张段绝热套130的喉衬安装孔内的限位台阶为锥形限位台阶，且喉衬安装孔内的锥形限位台阶的大端朝向前方。还可选的，喉衬安装孔内限位台阶之前的部分的直径不变，以与后段喉衬144的前段和前段喉衬141接触。又可选的，喉衬安装孔内还具有前限位台阶，并且喉衬安装孔内的前限位台阶位于喉衬安装孔内的限位台阶之前，以限制前段喉衬141。具体的，喉衬安装孔内的限位台阶之前的部分中靠近前方的部分直径大于喉衬安装孔内的限位台阶之前的部分中靠近后方的部分的直径，从而在喉衬安装孔内的限位台阶之前的部分形成前限位台阶。另外，喉衬安装孔内的限位台阶之后部分的直径由前至后逐渐增大，以维持扩张段型面。
26.还可选的，扩张段绝热套130的材质为高硅氧/酚醛模压材料，不仅为喉衬140提供有效支撑，在固体发动机工作时产生推力，同时起到隔热作用。另外，扩张段绝热套130的前端面用于与尾管绝热套120的后端面靠近外侧的部分配合，以与尾管绝热套120共同作为单室双推力固体发动机喷管的绝热层。
27.后段喉衬144具有贯穿前后两端的中段喉衬安装孔，中段喉衬安装孔内具有限位台阶，中段喉衬安装孔的限位台阶以及该限位台阶之前的部分用于容纳并固定中段喉衬143，为中段喉衬143提供有效支撑。可选的，中段喉衬安装孔内的限位台阶为锥形限位台阶，且中段喉衬安装孔内的锥形限位台阶的大端朝向前方，以对中段喉衬143的后段进行限位。还可选的，中段喉衬安装孔内限位台阶之前的部分中靠近前方的部分的直径由前至后逐渐减小，以与中段喉衬143的前段靠近前方的部分配合，中段喉衬安装孔内限位台阶之前的部分中靠近后方的部分的直径不变，以与中段喉衬143的前段靠近后方的部分配合。又可选的，中段喉衬安装孔内限位台阶之后的部分的直径由前至后逐渐增大，以维持扩张段型面。
28.可选的，后段喉衬144的热导率低于中段喉衬143的热导率，以有效降低中段喉衬
143对后段喉衬144的换热量。还可选的，后段喉衬144的材质为c/c复合材料。
29.前段喉衬141具有贯穿前后的烧蚀喉衬配合孔，烧蚀喉衬配合孔的前部分为锥面，用于与尾管绝热套120的后端面靠近内侧的部分配合，烧蚀喉衬配合孔的后部分用于固定烧蚀喉衬142，为烧蚀喉衬142提供有效支撑，并且前段喉衬141的后端面与后段喉衬144的前端面配合接触，前段喉衬141的后端面还具有中段喉衬固定槽，以插入中段喉衬143的前端，与后段喉衬144配合固定中段喉衬143。可选的，烧蚀喉衬配合孔的前部分的直径由前至后逐渐减小，形成锥面，以使得尾管绝热套120的后端面接触压紧前段喉衬141，烧蚀喉衬配合孔的后部分的直径不变。另外，前段喉衬141的前端面与尾管绝热套120的后端面处于中间的部分接触。可选的，前段喉衬141的前端面具有台阶，以与尾管绝热套120的后端面处于中间的台阶接触。
30.可选的，前段喉衬141的热导率低于中段喉衬143的热导率，高温下的强度和稳定性优于尾管绝热套120，以有效约束中段喉衬143，保护尾管绝热套120防止过度热解，达到尾管绝热套120到中段喉衬143平稳过度目的。还可选的，前段喉衬141的材质为c/c复合材料。
31.中段喉衬143固定至后段喉衬144的中段喉衬安装孔中，并与中段喉衬安装孔内的限位台阶配合，并且中段喉衬143的前端插入至前段喉衬141的后端面上的中段喉衬固定槽中，从而通过前段喉衬141和后段喉衬144的配合固定中段喉衬143。可选的，中段喉衬143的前段靠近前方的部分的外径由前至后逐渐减小，以与后段喉衬144的中段喉衬安装孔的前部分靠近前方的部分配合，中段喉衬143的前段靠近后方的部分的外径不变，以与中段喉衬安装孔的前部分靠近后方的部分配合。
32.中段喉衬143具有贯穿前后两端的第二喉衬孔，第二喉衬孔的前部分为前锥面，即：第二喉衬孔的前部分的直径由后向前逐渐增大，用于与烧蚀喉衬142的后端配合，为烧蚀喉衬142提供有效支撑。另外，第二喉衬孔的后部分为后锥面，即：第二喉衬孔的后部分的直径由前至后逐渐增大，以维持扩张段型面。
33.可选的，中段喉衬143的材质为钨渗铜材料或者tzm钼合金材料，为固体发动机工作第二阶段的喉衬。根据钨渗铜烧蚀试验数据，钨渗铜烧蚀速率为0.002mm/s，固体发动机工作在第二阶段的时长为100s，中段喉衬143的烧蚀量仅为0.2mm，有效保证了固体发动机二级推力的稳定性。
34.烧蚀喉衬142固定于前段喉衬141的烧蚀喉衬配合孔中，烧蚀喉衬142的后端与中段喉衬143的前锥面配合。可选的，烧蚀喉衬142的前段的外径不变，以与前段喉衬141的烧蚀喉衬配合孔的后部分配合；烧蚀喉衬142的后段的外径由前至后逐渐减小，以作为后端与中段喉衬的前锥面配合。
35.烧蚀喉衬142具有贯通前后两端的第一喉衬孔，并且第一喉衬孔的前部分为前锥面，即：第一喉衬孔的前部分的直径由前至后逐渐减小，第一喉衬孔的后部分为后锥面，即：第一喉衬孔的后部分的直径由前至后逐渐增大，以维持扩张段型面。其中，烧蚀喉衬142的材质为可烧蚀材料，为固体发动机工作第一阶段的喉衬。可选的，烧蚀喉衬142的材质为短切纤维/酚醛模压材料或超低燃速高强推进剂。模压材料烧蚀产物与收敛段绝热烧蚀相似，对固体发动机的正常工作无影响；超低燃速高强推进剂燃烧产物与固体发动机产生的燃气的成分一致，对固体发动机的正常工作无影响。
36.例如：某高硅氧纤维/酚醛模压材料烧蚀速率为0.35mm/s，超低燃速高强推进剂可实现0.5mm/s～2mm/s的燃速调整，根据固体发动机一级工作时间选用烧蚀喉衬材料，能够实现单室双推力固体发动机喷管由一级扩张比到二级扩张比的平稳过渡。
37.喉衬140固定于扩张段绝热套的喉衬安装孔内，并且后段喉衬144与喉衬安装孔内的限位台阶配合，前段喉衬141与喉衬安装孔内的限位台阶之前的部分配合。可选的，后段喉衬144的后段的外径由前至后逐渐减小，以与扩张段绝热套的喉衬安装孔内的锥形限位台阶配合；后段喉衬144的前段的外径不变，以与扩张段绝热套的喉衬安装孔的前部分配合；前段喉衬141的外径不变，以与扩张段绝热套的喉衬安装孔的前部分配合。
38.尾管绝热套120具有贯通前后两端的尾管绝热套孔，用于喷出燃烧室内的高温高压燃气。尾管绝热套120固定于喷管壳体110内，并且尾管绝热套120的后端面靠近内侧的部分与前段喉衬141的烧蚀喉衬配合孔的前部分的锥面配合，尾管绝热套120的后端面处于中间的部分与前段喉衬141的前端面接触，尾管绝热套120的后端面靠近外侧的部分与扩张段绝热套130的前端面接触。可选的，尾管绝热套120的后端面处于中间的部分形成台阶，用于与前段喉衬141的前端面的台阶接触配合。还可选的，尾管绝热套120的后端面靠近外侧的部分与尾管绝热套120处于中间的部分形成台阶，以使得尾管绝热套120的后端面与扩张段绝热套130的前端面的接触和尾管绝热套120的后端面处于中间的部分与前段喉衬141的前端面的接触，处于不同面。还可选的，尾管绝热套120的后端面靠近内侧的部分为从前至后逐渐向内倾斜的斜面，以与前段喉衬141的烧蚀喉衬配合孔的前部分的锥面配合。依然可选的，尾管绝热套120的后端面靠近内侧的斜面还伸入至烧蚀喉衬142的第一喉衬孔的前部分靠近前方的部分，以在一定程度上对烧蚀喉衬142进行压紧固定，使得烧蚀喉衬142更加稳定。
39.可选的，尾管绝热套120的材质为高硅氧/酚醛-碳纤维/酚醛复合模压材料。尾管绝热套120的内层为聚丙烯腈纤维/酚醛模压材料，由于其优异的抗冲刷性能能够保证发动机工作期间尾管结构的完整性，尾管绝热套120的外层为高硅氧/酚醛模压材料，其较低的导热系数能够隔绝发动机内部热量向外传递，使喷管壳体维持在许用温度范围内。
40.本技术还提供了单室双推力固体发动机，包括：燃烧室壳体和上述单室双推力固体发动机喷管，单室双推力固体发动机喷管对接至燃烧室壳体，以形成单室双推力固体发动机。
41.如图1所示，图示(a)为单室双推力固体发动机工作第一阶段的喉衬，单室双推力固体发动机工作第一阶段，多采用高燃速推进剂、大燃面来实现大推力。第一阶段的喉径为烧蚀喉衬143的第一喉衬孔的直径的最小处，此时喉径小，扩张比较大，可达到7，能够维持单室双推力固体发动机第一阶段的高工作压力，能够有效保证单室双推力固体发动机的大推力。由于烧蚀喉衬143的材质为可烧蚀材料，随着单室双推力固体发动机的工作，喉径逐渐变大，扩张比慢慢减小，第一阶段工作结束，扩张比减小至4，达到单室双推力固体发动机第二阶段工作要求。
42.如图1所示，图示(b)为单室双推力固体发动机工作第二阶段的喉衬，单室双推力固体发动机工作第二阶段，多采用低燃速、恒定燃面和喷管稳定扩张比来实现小推力长航时的目标。第二阶段的喉衬为中段喉衬143，其采用拥有极低烧蚀率的钨渗铜材料或者tzm钼合金材料，在工作上百秒的情况下喉部面积及扩张比变化极小。
43.本技术通过采用小喉径的烧蚀喉衬142实现单喷管固体发动机工作第一阶段喷管有较大的扩张比，燃烧室有较大的工作压强，来保证起飞时大推力要求；并且通过烧蚀喉衬142实现固体发动机工作第一阶段至第二阶段的扩张比的转变，从而使固体发动机进入第二阶段；通过采用大喉径的中段喉衬143实现单喷管固体发动机工作第二阶段喷管有较小扩张比，实现固体发动机第二阶段稳定小推力、长航时的要求。本技术不仅保证了固体发动机的两级推力比要求，还使得固体发动机的结构简单，有较高的可靠性和较低的成本。
44.对于本领域技术人员而言，显然本技术不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本技术的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本技术。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本技术的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本技术内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
45.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。