CN112431694B - 一种使用柔性材料和外置桁架结构的可展开喷管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种使用柔性材料和外置桁架结构的可展开喷管，包括潜入式柔性喷管的刚性段、燃烧室后封头、柔性喷管桁架结构和喷管柔性段。喷管潜入式刚性段由便于安装的潜入段主体、刚性扩张段和前、后喉衬组成，与后封头进行粘接，其中后封头在壳体内部增加一层防热内衬，以隔绝燃烧室的热量；刚性段后是喷管的柔性段，为了保证喷管和后封头的结构和型面完整性，在柔性段、刚性段内壁面上增加绝热、耐烧蚀涂层，柔性段使用抗烧蚀的弹性材料。本发明提供一种使用柔性材料和外置桁架结构的可展开喷管，可以实现高度补偿特性；而且通过设计桁架结构和柔性材料的尺寸，可实现更高效的扩张段气动型面，有效提升喷管全空域性能和飞行器总体性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种可展开喷管，尤其涉及一种使用柔性材料和外置桁架结构的可展开喷管，属于航空宇航技术领域。
背景技术
飞行的经济性和效率是飞行器动力装置设计中要首先考虑的重要因素。对于民航客机，推进效率的提高就意味着节约更多的燃油，节约运营成本；对于军用飞机，提高推进效率则能够使作战飞机或是导弹武器拥有更高的航程，拥有更强的作战能力；而对航天用火箭，提高入轨过程的推进效率，可以带来更多的有效载荷。所以，提高飞行器推进装置的推进效率一直是一个热门的研究领域。
无论是何种飞行器，一般而言，都会有它固定的设计高度。在这个高度下，喷管中的燃气能够实现完全膨胀，喷管效率最高。然而，在火箭单级入轨为例的飞行器跨空域飞行任务时，环境压力偏离设计，会使喷管效率下降，进而影响推进性能。
为了弥补传统喷管在非工作高度效率下降的缺点，提出了高度补偿喷管的概念，根据补偿方式的不同，可以具体分为塞式喷管、可延伸喷管、双喉部喷管、双钟型喷管以及膨胀偏流喷管等多种形式。其中，双钟型喷管具有结构简单、工作可靠性高、扩张比可变等优点，发展前景十分广阔。
于是，在双钟型喷管概念基础上，将柔性材料与技术成熟、可靠性高的桁架结构相结合，便是柔性可展开喷管。传统的固定扩张比喷管在非设计高度上处于欠膨胀或过膨胀状态，会造成推进效率的损失；相比之下，柔性喷管具有两个显著的优点：一是可以根据飞行高度的变化实时改变喷管型面来调节喷管扩张比，实现任意高度喷管的完全膨胀，使发动机处于最佳工作状态；二是柔性喷管扩张段通过伸缩可以缩短弹体级间的长度，节省发动机内部宝贵的空间；三是喷管扩张段型面具有可设计性，通过桁架结构和柔性材料尺寸设计，使喷管在不同工况下达到最优气动型面。
发明内容
针对传统固定扩张比喷管在非设计高度上推进效率下降的缺陷，本发明提供一种使用柔性材料和外置桁架结构的可展开喷管，通过桁架结构展开和柔性材料变形，使喷管的气动型面和扩张比可以根据不同工作高度而改变，在整个飞行过程中喷管都处于完全膨胀状态，以达到效率的最大化，提高飞行器的飞行性能。
本发明的目的是这样实现的：包括潜入式柔性喷管的刚性段、燃烧室后封头、柔性喷管桁架结构和喷管柔性段。喷管潜入式刚性段由便于安装的潜入段主体、刚性扩张段和前、后喉衬组成，与后封头进行粘接，其中后封头在壳体内部增加一层防热内衬，以隔绝燃烧室的热量；刚性段后是喷管的柔性段，为了保证喷管和后封头的结构和型面完整性，在柔性段、刚性段内壁面上增加绝热、耐烧蚀涂层，柔性段使用抗烧蚀的弹性材料。法兰盘通过螺纹与后封头连接，在环向均布安装有6个固定底座，安装共计6套桁架装置；每套桁架装置由伺服电机驱动，通过电机和连杆相连的轴的旋转使与连杆相连的活动套筒运动，带动整个桁架装置展开，改变柔性扩张段的型面和出口扩张比；每个喷管外型面上的桁架固定底座铰接一个单连杆和一组双连杆，且为了固定桁架装置且不破坏柔性段材料结构，在喷管外型面上覆盖一层柔性膜，铆钉穿过桁架固定底座和柔性膜对桁架装置的底座进行固定。
本发明还包括这样一些结构特征：
1、喷管外型面上的桁架固定底座铰接一个单连杆和一组双连杆，所有的连杆通过圆环结构与底座铰接。
2、桁架装置采用菱形桁架，通过剪刀较的转动轴将单连杆和一组双连杆连接起来绕轴转动，并带动固定底座运动。
3、在喷管外型面的柔性膜除完全覆盖喷管柔性段外，还在喷管的刚性段部分有所延伸，在刚性段柔性膜上安装一个异形固定底座。
4、喷管柔性段尾部的桁架固定底座采用异形固定底座。
5、使用伺服电机而非液压作动装置，通过旋转轴和滑块来驱动桁架装置工作。
6、为了保护柔性段的内型面完整，防止柔性材料的烧蚀，在柔性段内型面增加一层抗烧蚀涂层。
7、喷管收敛段采用潜入式结构，可以有效减少喷管长度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、喷管可延伸部分采用柔性材料，可保证扩张段型面和出口扩张比随海拔受控变化，实现从地面至高空的实时完全膨胀，有效提高喷管全空域性能。
2、桁架结构技术成熟，采用该结构驱动柔性材料的展开，实时支撑和调控气动型面至完全膨胀，提高了***的可靠性。
3、使用柔性膜覆盖喷管表面，通过铆钉穿过桁架固定底座和柔性膜对桁架装置进行固定，可以避免固定桁架结构穿过扩张段柔性材料、破坏喷管结构的完整性，增大了粘接面积，提高了扩张段的整体结构强度。
4、在柔性段和喉口段都涂有耐热、耐烧蚀涂层，可以有效保护喷管内型面，特别的，柔性段涂层以液化流动和蒸发吸热为主，保证展开过程不会烧蚀柔性段主体结构。
5、使用小型伺服电机驱动桁架装置，与液压作动机构相比，减小了冗余体积和质量。
6、流固耦合的数值计算结果表明：柔性段起始扩张比较大，总温总压较低，与喉部相比，柔性段受到的力热载荷较小，烧蚀更弱；以低成本的45号钢为材料，分析桁架结构的力学性能，内径0.5mm外径2mm的梁即可符合设计要求。
本发明提供一种使用柔性材料和外置桁架结构的可展开喷管，可以实现高度补偿特性；而且通过设计桁架结构和柔性材料的尺寸，可实现更高效的扩张段气动型面，有效提升喷管全空域性能和飞行器总体性能。
附图说明
图1是本发明一种使用柔性材料和外置桁架结构的可展开喷管的整体轴测图；
图2是本发明一种使用柔性材料和外置桁架结构的可展开喷管的喷管结构(不包含桁架)剖面图；
图3a是本发明一种使用柔性材料和外置桁架结构的可展开喷管的部分桁架结构轴测图；
图3b是图3a的局部放大图；
图4是本发明一种使用柔性材料和外置桁架结构的可展开喷管的喷管外型面桁架固定结构与菱形结构轴测图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明提供的一种使用柔性材料和外置桁架结构的可展开喷管，包括潜入式柔性喷管的刚性段、燃烧室后封头、柔性喷管桁架结构和喷管柔性段。
图1展示了柔性喷管的整体结构。
参见图1，其中1-1是潜入式柔性喷管的刚性段(固定段)、1-2是燃烧室后封头、1-3是柔性喷管桁架结构、1-4是由多层抗烧蚀材料组成的喷管柔性段。
图2是不包含桁架结构的喷管基体的剖面图。
参见图2，其中2-1是刚性扩张段、2-2是喉衬、2-3是前喉衬、2-4是喷管、后封头过渡段、2-5是后封头内衬、2-6是后封头壳体、2-7是刚性段固定法兰盘、2-8是喷管柔性段、2-9是柔性段涂层、2-10是柔性绝热烧蚀层、2-11为柔性膜、2-12是喷管潜入段和刚性段的烧蚀涂层。
喷管的后封头由两部分组成，一是确定后封头形状和基本型面的2-6后封头壳体，二是依附于2-6后封头壳体内部，用来防止燃气和熔渣烧蚀，具有绝热作用的2-5后封头内衬；因本发明设计的喷管采用潜入式设计，所以柔性喷管的刚性段前端需伸入后封头内部，2-4喷管、后封头过渡段内侧是潜入式喷管的外型面，内侧与后封头粘接，达到连接喷管主体和后封头的目的；2-3前喉衬是潜入式喷管的收敛段，长度较短，故烧蚀情况较轻，可以采用价格较为低廉、抗烧蚀性能不那么强的酚醛树脂材料，而2-2喉衬正处于喷管的喉部段，那里是整个喷管烧蚀最为严重的区域，因此必须采用价格昂贵、抗烧蚀性能强的钨渗铜材料，为节约成本，将2-2喉衬的体积设计的较小，同时，为了强化喉衬部分的热防护能力，增加一层2-12喷管潜入段和刚性段的烧蚀涂层，通过汽化吸热和热分解反应保护喷管喉部；2-7刚性段固定法兰盘通过螺纹与后封头连接，用以安装桁架结构底座；2-1刚性扩张段是潜入式柔性喷管的固定部分，不随桁架的伸缩扩张变形；2-8柔性段是整个潜入式柔性喷管与桁架交互的变形区域，由2-9柔性段涂层、2-10柔性绝热烧蚀层、2-11柔性膜组成；2-9柔性段涂层使用耐烧蚀材料，在燃气烧蚀过程中使用液化和蒸发吸热，保证2-10柔性段绝热烧蚀层不直接接触高温燃气；2-10柔性绝热烧蚀层使用抗烧蚀的弹性材料，可随桁架机构的运动变形，达到出口扩张比和扩张段的型面受控变化；2-11柔性膜是一层覆盖喷管柔性段和部分刚性段的薄层，用途是固定桁架结构。
图3对桁架与法兰盘的连接处、伺服机构安装处进行了局部放大。
参见图2，其中3-1是活动套筒、3-2是套筒连杆、3-3是伺服电机、3-4是固定底座、3-5是固定底座轴承限位支架、3-6是刚性段固定底座、3-7是轴承、3-8是连杆、3-9是平面铰接装置。
3-6刚性段固定底座是整个桁架机构的第一个固定底座，通过铆钉和柔性膜在喷管外型面上固定，起到桁架机构固定支点的作用；在柔性喷管刚性段法兰盘上沿环向均布6个3-4固定底座，每个3-4固定底座连接两个3-2套筒连杆并在连接轴上加装两个3-3伺服电机，驱动连接轴旋转，带动3-2套筒连杆运动；在3-4固定底座的下半部分安装有3-5轴承限位支架，是3-8连杆的支撑架，通过3-7轴承将3-8连杆和3-5轴承限位支架连接起来，3-8连杆可以通过3-7轴承绕轴转动；3-9平面铰接装置将3-2套筒连杆的末端与3-1活动套筒连接在一起，在3-2套筒连杆旋转运动的作用下，3-1活动套筒在3-8连杆上滑动，可以通过调整3-8连杆、3-2套筒连杆的旋转中心位置和长度来控制3-1活动套筒的运动轨迹，从而实现喷管柔性结构型面和扩张比的调整。
图4展示了喷管外型面桁架的固定结构与桁架活动部分的菱形结构。
参见图4，其中4-1、4-2、4-5、4-6是双连杆、4-3是圆环铰接底座、4-4是单连杆、4-7是耐磨柔性垫片、4-8是限位装置、4-9是固定底座、4-10是柔性膜、4-11是柔性绝热烧蚀层、4-12是铆钉。
4-1、4-2-双连杆和4-4单连杆通过4-3圆环铰接底座在4-9固定底座连接，双连杆、一个单连杆和一个圆环铰接底座共同组成一个桁架机构的运动单元，当双连杆向一个方向转动时，在圆环铰接机构的作用下，单连杆向相反方向转动，实现菱形桁架机构的伸缩；转动轴将4-5、4-6双连杆与4-4单连杆铰接在一起，形成一个剪刀较，并在4-5、4-6双连杆和4-8单连杆之间添加4-7耐磨柔性垫片，减少运动时部件之间的摩擦损耗；4-11柔性绝热烧蚀层为柔性扩张段的主体，其上覆盖一层4-10柔性膜，4-12铆钉穿过4-10柔性膜、4-9固定底座，将4-9固定底座固定在喷管主体上，起到固定桁架的作用，同时又不破环4-11柔性绝热烧蚀层的结构。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
本发明提供一种使用柔性材料和外置桁架结构的可展开喷管。对于飞行器的喷管而言，为实现完全膨胀，不同飞行高度上喷管扩张比不同，固定型面的喷管在地面和过高海拔均存在性能损失。因此本发明设计中，以双钟型喷管为基础，使用柔性伸展的弹性材料，结合支撑调控气动型面的桁架结构，实现了喷管扩张段的自由展开和变形。本发明不仅能够在不同工作高度下调整至合适的扩张比，达到实时高度补偿的效果；进一步还可实现不同海拔下的高效气动型面，两者的结合可以大幅提高喷管的性能和效率。
Claims (10)
1.一种使用柔性材料和外置桁架结构的可展开喷管，其特征在于：包括潜入式柔性喷管的刚性段、燃烧室后封头、柔性喷管桁架结构和喷管柔性段；所述喷管潜入式刚性段由便于安装的潜入段主体、刚性扩张段和前、后喉衬组成，与后封头进行粘接，其中后封头在壳体内部增加一层防热内衬，以隔绝燃烧室的热量；刚性段后是喷管的柔性段，为了保证喷管和后封头的结构和型面完整性，在柔性段、刚性段内壁面上增加绝热、耐烧蚀涂层，柔性段使用抗烧蚀的弹性材料；法兰盘通过螺纹与后封头连接，在环向均布安装有6个固定底座，安装共计6套桁架装置；每套桁架装置由伺服电机驱动，通过电机和连杆相连的轴的旋转使与连杆相连的活动套筒运动，带动整个桁架装置展开，改变柔性扩张段的型面和出口扩张比；每个喷管外型面上的桁架固定底座铰接一个单连杆和一组双连杆，且为了固定桁架装置且不破坏柔性段材料结构，在喷管外型面上覆盖一层柔性膜，铆钉穿过桁架固定底座和柔性膜对桁架装置的底座进行固定。
2.根据权利要求1所述的一种使用柔性材料和外置桁架结构的可展开喷管，其特征在于：喷管外型面上的桁架固定底座铰接一个单连杆和一组双连杆，所有的连杆通过圆环铰接结构与底座相连。
3.根据权利要求1或2所述的一种使用柔性材料和外置桁架结构的可展开喷管，其特征在于：桁架装置展开部分采用菱形桁架和剪刀铰，通过剪刀较的转动轴将单连杆和一组双连杆铰接起来。
4.根据权利要求1或2所述的一种使用柔性材料和外置桁架结构的可展开喷管，其特征在于：所采用的桁架装置有6组。
5.根据权利要求3所述的一种使用柔性材料和外置桁架结构的可展开喷管，其特征在于：所采用的桁架装置有6组。
6.根据权利要求1所述的一种使用柔性材料和外置桁架结构的可展开喷管，其特征在于：在喷管外型面的柔性膜，不仅完全覆盖喷管柔性段，还延伸至刚性段前沿。
7.根据权利要求1所述的一种使用柔性材料和外置桁架结构的可展开喷管，其特征在于：喷管柔性段尾部的桁架固定底座采用异形固定底座。
8.根据权利要求1所述的一种使用柔性材料和外置桁架结构的可展开喷管，其特征在于：使用伺服电机通过旋转轴和滑块来驱动桁架装置工作，即保证桁架结构仅有1个驱动自由度。
9.根据权利要求1所述的一种使用柔性材料和外置桁架结构的可展开喷管，其特征在于：在柔性段内型面增加一层抗烧蚀涂层。
10.根据权利要求1所述的一种使用柔性材料和外置桁架结构的可展开喷管，其特征在于：喷管收敛段采用潜入式结构。
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