CN110608109B - 一种喷管结构 - Google Patents

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Abstract

一种喷管结构，属于固体火箭发动机技术领域，包括喉衬1、背衬2、绝热层3、喷管壳体4以及扩散段5。喉衬1与背衬2内孔配合，用于抗高温高压燃气直接冲刷，背衬2与绝热层3内孔配合，用于抗高温热烧蚀以及喉衬1直线段下游高温气流冲蚀，绝热层3与喷管内孔配合，用于抵抗高温气体向喷管壳体4的热传导，喷管壳体4用于提供喷管的结构强度，喷管壳体4扩张段表面具有宏观阵列凸起结构，用于连接喷管扩散段5，喷管扩散段5通过工装在喷管壳体4上模压成型，用于使高温高压燃气进一步膨胀做功，提供固体火箭发动机推力。本发明简化了喷管结构，降低了喷管重量，由于不存在销钉孔等结构，提高了喷管的可靠性。

Description

一种喷管结构
技术领域
本发明涉及一种喷管结构，特别是涉及一种扩散段基于壳体内表面阵列凸起穿刺连接的喷管结构，属于固体火箭发动机技术领域。
背景技术
喷管是固体火箭发动机的重要部件之一，用于将发动机燃烧室中产生的高温高压燃气进行膨胀加速排出做功，为火箭提供所需的推力。
喷管工况恶劣，需要承受高温高压燃气的直接冲蚀，以及高温燃气向喷管内部的热传导，喷管扩散段通常采用耐高温胶粘接到喷管壳体上，为防止喷管扩散段在高速燃气流作用下发生粘接失效而飞出的情况，喷管扩散段与喷管壳体间常通过销钉强化连接，但销钉连接部位在一定程度上减弱了扩散段的局部热防护性能，且实际中在加工销钉孔时容易发生销孔打穿问题。由于发动机总体尺寸包络和重量等因素的限制，喷管壳体和喷管扩散段非金属壁厚往往较薄，尤其喷管体积较小时，喷管壳体和喷管扩散段之间很难再通过销钉实现强化连接。实际工程中常通过喷管扩张段内表面喷砂或者激光毛化处理，增加喷管扩张段与非金属扩散段之间连接，但这只在一定程度上增加了粘接面积而增强连接，喷管强度仍难以满足实际使用要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种喷管结构，特别是一种扩散段基于壳体内表面阵列凸起穿刺连接的喷管结构，所述喷管结构包括：喉衬、背衬、绝热层、喷管壳体以及扩散段。所述喉衬与所述背衬内孔配合，用于抗高温高压燃气直接冲刷，所述背衬与所述绝热层内孔配合，用于抗高温热烧蚀以及所述喉衬直线段下游高温气流冲蚀，所述绝热层与喷管内孔配合，用于抵抗高温气体向所述喷管壳体的热传导，所述喷管壳体用于提供喷管的结构强度，所述喷管壳体扩张段表面具有宏观阵列凸起结构，用于连接所述喷管扩散段，所述喷管扩散段通过工装在所述喷管壳体上模压成型，用于使高温高压燃气进一步膨胀做功，提供固体火箭发动机推力。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种喷管结构，其特征在于，包括喉衬、背衬、绝热层、喷管壳体、扩散段；
所述喉衬位于所述背衬内，用于抗燃气流直接冲刷；所述喉衬和所述背衬均位于所述绝热层内，所述背衬用于抗所述喉衬下游燃气流冲蚀；所述喷管壳体套装在所述绝热层上，所述绝热层用于隔离所述喉衬和所述背衬向所述喷管壳体的热传导；所述扩散段的局部套装在所述喷管壳体内，所述喷管壳体在套装所述扩散段的表面设有凸起结构，所述扩散段在所述喷管壳体上直接模型成型；
所述喷管壳体用于支撑整个喷管结构。
优选的，所述喉衬内设有第一内孔；所述第一内孔分为两段，靠近燃气流来流的一段为收敛型面，远离燃气流来流的一段为直段型面。
优选的，所述喉衬与所述背衬通过粘接固连。
优选的，所述背衬内设有第二内孔，所述喉衬位于第二内孔内，所述背衬采用碳纤维酚醛材料制成。
优选的，所述背衬靠近燃气流来流的一端大于远离燃气流来流的一端，所述喉衬和所述背衬均位于所述绝热层内，所述背衬靠近燃气流来流的一端对所述背衬在所述绝热层内进行限位。
优选的，所述喷管壳体内设有第四内孔和扩张孔；所述第四内孔为台阶孔，用于对所述绝热层限位。
优选的，所述扩散段的局部套装在所述喷管壳体的扩张孔内，所述扩张孔的表面设有错位分布的凸起结构，所述凸起结构采用但不限于微细电火花或电化学方法加工制成。
优选的，所述凸起结构为圆锥型或圆柱型或长方体型或棱台型。
优选的，所述凸起结构分为4～10层，每层间距3mm～8mm，每层数量为16～40个，相邻两层的错落角度为6°～9°。
优选的，所述绝热层采用玻璃钢材料制成。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明在喷管壳体扩张段内表面设计宏观阵列凸起结构，根据喷管承受的载荷需求确定凸起结构的数量，较以往非金属扩散段胶粘固连更可靠；
(2)本发明通过宏观阵列凸起结构强化非金属扩散段与喷管壳体间的连接，避免了利用销钉强化连接时加工销钉孔易打穿的问题，优化了喷管结构；
(3)本发明通过宏观阵列凸起结构强化非金属扩散段与喷管壳体间的连接，不需要销钉连接结构，有助于降低喷管结构质量。
附图说明
图1为喷管结构示意图；
图2为喷管壳体的剖视示意图；
图3为喷管壳体的俯视示意图；
图4为喷管壳体的剖视局部放大示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
实施例1：
一种喷管结构，包括喉衬1、背衬2、绝热层3、喷管壳体4、扩散段5；
所述喉衬1位于所述背衬2内，用于抗燃气流直接冲刷；所述喉衬1和所述背衬2均位于所述绝热层3内，所述背衬2用于抗所述喉衬1下游燃气流冲蚀；所述喷管壳体4套装在所述绝热层3上，所述绝热层3用于隔离所述喉衬1和所述背衬2向所述喷管壳体4的热传导；所述扩散段5的局部套装在所述喷管壳体4内，所述喷管壳体4在套装所述扩散段5的表面设有凸起结构，所述扩散段5在所述喷管壳体4上直接模型成型；
所述喷管壳体4用于支撑整个喷管结构。
所述喉衬1内设有第一内孔；所述第一内孔分为两段，靠近燃气流来流的一段为收敛型面，远离燃气流来流的一段为直段型面。所述背衬2内设有第二内孔，所述喉衬1位于第二内孔内，所述背衬2采用碳纤维酚醛材料制成。所述背衬2靠近燃气流来流的一端大于远离燃气流来流的一端，所述喉衬1和所述背衬2均位于所述绝热层3内，所述背衬2靠近燃气流来流的一端对所述背衬2在所述绝热层3内进行限位。所述喷管壳体4内设有第四内孔和扩张孔；所述第四内孔为台阶孔，用于对所述绝热层3限位。
所述扩散段5的局部套装在所述喷管壳体4的扩张孔内，所述扩张孔的表面设有错位分布的凸起结构，所述凸起结构采用但不限于微细电火花或电化学方法加工制成。所述凸起结构为圆锥型或圆柱型或长方体型或棱台型。所述凸起结构分为4～10层，每层间距3mm～8mm，每层数量为16～40个，相邻两层的错落角度为6°～9°。
实施例2：
一种扩散段基于壳体内表面阵列凸起穿刺连接的喷管结构(即一种喷管结构)，主要的技术方案为：在喷管壳体4的扩张段内表面通过微细电火花加工形成宏观阵列凸起结构，宏观阵列凸起的数量可根据材料的强度以及喷管载荷确定，凸起阵列在喷管壳体4的扩张段内表面错位分布，非金属扩散段5采用专用工装直接将纤维或编织材料与胶水一起直接在喷管壳体4上压制成型，喷管壳体4与非金属扩散段5之间直接通过阵列凸起结构强化连接，不需要再通过销钉等连接件进行连接强化，简化了喷管结构，降低了喷管重量，由于不存在销钉孔等结构，提高了喷管的可靠性。
具体的，一种扩散段基于壳体内表面阵列凸起穿刺连接的喷管结构，如图1所示，包括：喉衬1、背衬2、绝热层3、喷管壳体4以及扩散段5。喉衬1与背衬2的内孔配合，用于抗高温高压燃气直接冲刷，背衬2与绝热层3的内孔配合，用于抗高温热烧蚀以及喉衬1的直线段下游高温气流冲蚀，绝热层3与喷管壳体4的内孔配合，用于抵抗高温气体向喷管壳体4的热传导，喷管壳体4用于提供喷管的结构强度，喷管壳体4的扩张段表面具有宏观阵列凸起结构，用于连接扩散段5，扩散段5用于使高温高压燃气进一步膨胀做功，提供固体火箭发动机推力。
喉衬1采用钨渗铜或钼钛锆等耐高温金属材料制成，用于抗高温高压燃气直接冲刷，喉衬1具有第一内孔，为高温高压燃气通道，第一内孔左段为收敛型面，右段为直段型面，用于承受高温高压燃气冲蚀，喉衬1与背衬2通过粘接固连；背衬2具有第二内孔，喉衬1位于背衬2第二内孔内，右端面不超出背衬2第二内孔，背衬2采用碳纤维酚醛等抗烧蚀非金属材料制成，用于抗高温热烧蚀以及喉衬直线段下游高温气流冲蚀，背衬2与绝热层3配合面具有一定转折倾角，用于使绝热层3承受一定的载荷以及安装背衬2时的限位，背衬2与绝热层3通过粘接固连；绝热层3具有第三内孔，背衬2位于绝热层3第三内孔内，绝热层3采用玻璃钢等低热导率非金属材料制成，用于抵抗高温气体向喷管壳体4的热传导，绝热层3与喷管壳体4通过粘接固连；喷管壳体4采用金属材料，用于提供喷管的结构强度，喷管壳体4具有第四内孔和扩张段，第四内孔为台阶孔，用于绝热层3的安装限位，喷管壳4体扩张段内表面具有通过微细电火花或电化学等方式加工形成的宏观阵列凸起结构，宏观阵列凸起的数量根据材料的强度以及喷管载荷确定，阵列凸起结构在喷管壳体扩张段内表面错位分布，喷管壳体4外圆面为台阶形结构，台阶部位设计密封槽结构，并用于与上游燃烧室或燃气管路的安装限位，喷管壳体4与上游燃烧室或燃气管路的连接可采用销钉方式或螺纹方式；扩散段5利用专用工装在喷管壳体4上将纤维或编织材料与胶水直接模型成型。
其中，背衬2在右端在加工过程中留有余量，将扩散段5压制成型后根据喷管型面要求将喷管结构的内表面整体加工成型。
如图2～4所示，本实例中，喷管壳体4的扩张段内表面具有错落布置的圆台型凸起结构阵列，圆台中心线垂直于喷管壳体4的内表面，顶部朝向喷管内侧。圆台底面直径为φ1mm，高度0.6mm，圆台母线与地面的夹角为60°。圆台阵列共5层，每层间距4mm，每层圆台数量为24个均布，相邻两层间错落角度7.5°。凸起结构除设计为圆台型结构外，还可以设计为圆锥型、圆柱型、长方体型、棱台型等结构。
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。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种喷管结构，其特征在于，包括喉衬（1）、背衬（2）、绝热层（3）、喷管壳体（4）、扩散段（5）；
所述喉衬（1）位于所述背衬（2）内，用于抗燃气流直接冲刷；所述喉衬（1）和所述背衬（2）均位于所述绝热层（3）内，所述背衬（2）用于抗所述喉衬（1）下游燃气流冲蚀；所述喷管壳体（4）套装在所述绝热层（3）上，所述绝热层（3）用于隔离所述喉衬（1）和所述背衬（2）向所述喷管壳体（4）的热传导；所述扩散段（5）的局部套装在所述喷管壳体（4）内，所述喷管壳体（4）在套装所述扩散段（5）的表面设有凸起结构，所述扩散段（5）在所述喷管壳体（4）上直接模型成型；
所述喷管壳体（4）用于支撑整个喷管结构；
所述背衬（2）内设有第二内孔，所述喉衬（1）位于第二内孔内，所述背衬（2）采用碳纤维酚醛材料制成；
所述背衬（2）靠近燃气流来流的一端大于远离燃气流来流的一端，所述喉衬（1）和所述背衬（2）均位于所述绝热层（3）内，所述背衬（2）靠近燃气流来流的一端对所述背衬（2）在所述绝热层（3）内进行限位；
所述喷管壳体（4）内设有第四内孔和扩张孔；所述第四内孔为台阶孔，用于对所述绝热层（3）限位；
所述扩散段（5）的局部套装在所述喷管壳体（4）的扩张孔内，所述扩张孔的表面设有错位分布的凸起结构，所述凸起结构采用微细电火花或电化学方法加工制成；
所述凸起结构为圆锥型或圆柱型或长方体型或棱台型；
所述凸起结构分为4~10层，每层间距3mm~8mm，每层数量为16~40个，相邻两层的错落角度为6°~9°。
2.根据权利要求1所述的一种喷管结构，其特征在于，所述喉衬（1）内设有第一内孔；所述第一内孔分为两段，靠近燃气流来流的一段为收敛型面，远离燃气流来流的一段为直段型面。
3.根据权利要求1所述的一种喷管结构，其特征在于，所述喉衬（1）与所述背衬（2）通过粘接固连。
4.根据权利要求1~3之一所述的一种喷管结构，其特征在于，所述绝热层（3）采用玻璃钢材料制成。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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