一種基于智能復(fù)合材料的可變形擺動噴管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種固體火箭發(fā)動機(jī)噴管，具體地說，涉及一種基于智能復(fù)合材料的可變形擺動的柔性噴管，屬航空航天動力應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有公開的技術(shù)文獻(xiàn)《塞式噴管設(shè)計和性能驗(yàn)證》(空氣動力學(xué)學(xué)報，2008年6月第二期)中，提到一種塞式噴管，這種噴管燃?xì)馔鈧?cè)與大氣相通，可隨外界的反壓變化自動調(diào)節(jié)膨脹，使燃?xì)庠诓煌叨染幱谕耆蛎洜顟B(tài)，從而具有連續(xù)的高度補(bǔ)償能力，相比于鐘型噴管，在低于設(shè)計高度時仍具有高性能。該文獻(xiàn)還提到對于燃燒效率較高的瓦狀塞式噴管，其內(nèi)噴管是軸對稱鐘型噴管。文獻(xiàn)《塞式噴管設(shè)計和性能驗(yàn)證》中提到的塞式噴管，通過自身的膨脹調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)不同高度的完全膨脹，大大提高了發(fā)動機(jī)的推力性能，文獻(xiàn)中亦對塞錐型面噴管進(jìn)行了設(shè)計和優(yōu)化。但文獻(xiàn)中同時提到了塞式噴管自從提出以來，更多的是處于試驗(yàn)和驗(yàn)證階段，并未進(jìn)行實(shí)際的安裝應(yīng)用。
[0003]在文獻(xiàn)《固體火箭發(fā)動機(jī)噴管的設(shè)計與性能仿真》(西安電子科技大學(xué)，2012年碩士學(xué)位論文)中，提到相對于加工方便的錐形噴管。常用鐘型噴管的燃燒效率更高，且80%的鐘型噴管比同樣面積比的15°錐形噴管短20%，而現(xiàn)在亦被采用的拋物線法設(shè)計的特型噴管更能提高發(fā)動機(jī)的推力，在遠(yuǎn)程火箭和航空火箭上被廣泛使用。實(shí)驗(yàn)證明，在其它條件相同的情況下，特型噴管可使發(fā)動機(jī)的推力提高3.07%。文獻(xiàn)《固體火箭發(fā)動機(jī)噴管的設(shè)計與性能仿真》中提到柔性噴管具有良好的工作特性和可靠性，因而被廣泛應(yīng)用。柔性噴管可實(shí)現(xiàn)全軸擺動且擺動性能重復(fù)性較好，能滿足大側(cè)向力的要求；擺動時流場干擾小，推力損失??；固有頻率高，能適應(yīng)快速響應(yīng)的要求；結(jié)構(gòu)簡單工藝性好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是:基于智能復(fù)合材料可實(shí)現(xiàn)的記憶、感知、驅(qū)動和控制功能，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)噴管的可控擺動柔性變形；通過驅(qū)動桿的伸縮控制，實(shí)現(xiàn)對擺動噴管的精確控制，為飛行器的姿態(tài)控制提供矢量推力控制方式；通過噴管型面的不同高度的適應(yīng)性變形，提高其發(fā)動機(jī)的燃燒效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)飛行器的整體優(yōu)化。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種基于智能復(fù)合材料的可變形擺動噴管，包括發(fā)動機(jī)殼體、多個雙孔耳片、多根驅(qū)動桿、固定體、擺動噴管，固定體位于固體發(fā)動機(jī)的后部，且與發(fā)動機(jī)殼體固連，其特征在于采用多根驅(qū)動桿作為擺動噴管的支撐件，多根驅(qū)動桿周向分布相互配合實(shí)現(xiàn)噴管的饒軸擺動，擺動噴管的擺動角度為與軸線間的夾角O?15度；所述驅(qū)動桿為液壓驅(qū)動、伸縮自動可調(diào)，驅(qū)動桿兩圓柱端有徑向通孔；所述雙孔耳片為U形結(jié)構(gòu)，耳片上端部各有直徑相等的通孔，多個雙孔耳片分別沿固定體內(nèi)壁面下部和噴管外壁上部周向等角度分布固連，固定體內(nèi)壁面下部的雙孔耳片與噴管外壁上部的雙孔耳片數(shù)量相等，且固定體內(nèi)壁面下部的雙孔耳片與噴管外壁面上部的雙孔耳片相對應(yīng)，驅(qū)動桿一端與固定體內(nèi)壁面下部雙孔耳片連接，驅(qū)動桿另一端與噴管外壁上部的雙孔耳片連接，實(shí)現(xiàn)整個擺動噴管結(jié)構(gòu)間力的承受和傳遞。
[0006]所述驅(qū)動桿為4?8個的任意一種。
[0007]所述驅(qū)動桿、擺動噴管采用智能形狀記憶合金材料。
[0008]有益效果
[0009]本發(fā)明提出的一種基于智能復(fù)合材料的可變形擺動噴管，針對固體火箭發(fā)動機(jī)，利用智能復(fù)合材料可實(shí)現(xiàn)的記憶、感知、驅(qū)動和控制功能，通過驅(qū)動桿的伸縮控制，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)噴管的精確控制可控擺動變形，實(shí)現(xiàn)對整個飛行器姿態(tài)的推力矢量控制和大幅度提升發(fā)動機(jī)的燃燒效率。由于擺動噴管可變，在低高度時，不必通過增加噴管長度實(shí)現(xiàn)噴管內(nèi)外流的完全膨脹，起到補(bǔ)償藥柱長度和燃燒室空間的作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化。
[0010]本發(fā)明基于智能復(fù)合材料的可變形擺動噴管，是基于智能復(fù)合材料的功能特性。擺動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠性高，主要作用部件是智能復(fù)材制成的軸向可控伸縮驅(qū)動桿。驅(qū)動桿沿噴管周向均布，根據(jù)推力矢量的要求可布置4?8個驅(qū)動桿，通過不同點(diǎn)的驅(qū)動桿伸縮協(xié)調(diào)工作，傳遞力到噴管上，實(shí)現(xiàn)噴管的高精度可控擺動。擺動噴管的主要特點(diǎn)是智能復(fù)合材料的記憶、感知、驅(qū)動和控制功能，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計噴管型面可變形，在實(shí)際飛行中加以控制應(yīng)用，即可實(shí)現(xiàn)噴管內(nèi)外流的理想膨脹，達(dá)到噴射效率最高?；谥悄軓?fù)合材料的可變形擺動噴管，不但可實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)性能提升，更能方便的進(jìn)行飛行器的推力矢量控制。
【附圖說明】
[0011]下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對本發(fā)明一種基于智能復(fù)合材料的可變形擺動噴管作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0012]圖1為本發(fā)明可變形擺動噴管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2為本發(fā)明可變形擺動噴管的驅(qū)動桿示意圖。
[0014]圖3為本發(fā)明的噴管示意圖。
[0015]圖4為本發(fā)明的噴管二維型面圖。
[0016]圖5為本發(fā)明第一階段變形特形擺動噴管。
[0017]圖6為本發(fā)明中特形噴管的二維型面圖。
[0018]圖7為本發(fā)明第二階段變形鐘型擺動噴管。
[0019]圖8為本發(fā)明中鐘型噴管的二維型面圖。
[0020]圖中:
[0021]1.固定體2.雙孔耳片3.驅(qū)動桿4.擺動噴管
【具體實(shí)施方式】
[0022]本實(shí)施例是一種基于智能復(fù)合材料的可變形擺動噴管。擺動噴管通過驅(qū)動桿的伸縮控制，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)噴管的精確控制擺動變形；既能實(shí)現(xiàn)對整個飛行器姿態(tài)的推力矢量控制，又可大幅度提升發(fā)動機(jī)的工作效率。
[0023]參閱圖1?圖4，本實(shí)施例基于智能復(fù)合材料的可變形擺動噴管，由多個雙孔耳片2、多根驅(qū)動桿3、固定體1、擺動噴管4和發(fā)動機(jī)殼體組成，固定體I位于固體發(fā)動機(jī)的后部，且與發(fā)動機(jī)殼體固定連接；與發(fā)動機(jī)殼固定連接的固定體I屬于發(fā)動機(jī)的重要組成部分，其為噴管的擺動提供可靠的外力支承。
[0024]本實(shí)施例中，采用多根驅(qū)動桿3作為擺動噴管4的支撐件，多根驅(qū)動桿周向均布相互配合實(shí)現(xiàn)噴管的饒軸擺動。擺動噴管4的擺動角度為與軸線間的夾角O?15度。驅(qū)動桿3為液壓驅(qū)動、伸縮自動可調(diào)結(jié)構(gòu)，驅(qū)動桿兩圓柱端部有徑向通孔，驅(qū)動桿3 —端與固定體I內(nèi)壁面下部雙孔耳片2連接，驅(qū)動桿3另一端與擺動噴管4外壁面上的雙孔耳片2連接。驅(qū)動桿3采用智能形狀記憶合金材料加工，受控制器件控制，伸長或縮短，從而產(chǎn)生推力或拉力。驅(qū)動桿3結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動桿3沿噴管周向布置為4-8個。驅(qū)動桿3通過液壓驅(qū)動伸縮長短，協(xié)調(diào)工作，可實(shí)現(xiàn)噴管的XZ和YZ平面內(nèi)的繞軸線轉(zhuǎn)動，同時限制噴管不能在Z方向上下竄動。
[0025]雙孔耳片2為U形結(jié)構(gòu)，耳片上端部各有直徑大小相等的通孔，多個雙孔耳片2分別沿固定體I內(nèi)壁面下部和擺動噴管4外壁面上部周向等角度分布固定連接，固定體I內(nèi)壁面上的雙孔耳片2與擺動噴管4外壁面上的雙孔耳片2數(shù)量相等，且固定體I內(nèi)壁面上的雙孔耳片2與擺動噴管4外壁面上的雙孔耳片2相對應(yīng)，驅(qū)動桿3兩端分別與固定體I內(nèi)壁面上的雙孔耳片2和擺動噴管4外壁面上的雙孔耳片2通過螺栓相連接，實(shí)現(xiàn)整個擺動噴管結(jié)構(gòu)間力的承受和傳遞。擺動噴管、雙孔耳片采用智能復(fù)合材料加工。
[0026]擺動噴管是由智能復(fù)合材料加工制成的可變型面噴管。根據(jù)發(fā)動機(jī)所服務(wù)的飛行器的飛行空域的高度變化，通過不同的飛行環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)；首先進(jìn)行地面的流場模擬實(shí)驗(yàn)，構(gòu)造出可實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)高效工作的噴管二維型面變形方案，在其實(shí)際飛行過程中，根據(jù)已有方案實(shí)現(xiàn)噴管變形，達(dá)到設(shè)計要求，提高發(fā)動機(jī)的燃燒效率。可變形的優(yōu)勢還在于在總長不變的情況下，可用噴管的部分長度來補(bǔ)償藥柱的長度和燃燒室空間。
[0027]如圖5?圖8所示，噴管未變形前采用錐形型面設(shè)計，該型面結(jié)構(gòu)簡單，加工和安裝方便。錐形型面的二維設(shè)計是根據(jù)流場的模擬計算得到的結(jié)果，具體設(shè)計需根據(jù)飛行器對發(fā)動機(jī)的要求而定，其二維型面設(shè)計曲線滿足方程..! = kx。
[0028]根據(jù)飛行器所處的不同高度，進(jìn)行噴管型面的變形設(shè)計，本設(shè)計共提供了三種型面方案可供選擇，除了初始的錐形型面，還有鐘形型面，滿足方程..1 = e'(-x'2)和特型型面，滿足方程:y = ax2+bx+c，不同的曲面設(shè)計在保證發(fā)動機(jī)的高工作效率的同時實(shí)現(xiàn)總長度不變情況下的發(fā)動機(jī)優(yōu)化。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于智能復(fù)合材料的可變形擺動噴管，包括發(fā)動機(jī)殼體、多個雙孔耳片、多根驅(qū)動桿、固定體、擺動噴管，固定體位于固體發(fā)動機(jī)的后部，且與發(fā)動機(jī)殼體固連，其特征在于:采用多根驅(qū)動桿作為擺動噴管的支撐件，多根驅(qū)動桿周向分布相互配合實(shí)現(xiàn)噴管的饒軸擺動，擺動噴管的擺動角度為與軸線間的夾角O?15度；所述驅(qū)動桿為液壓驅(qū)動、伸縮自動可調(diào)，驅(qū)動桿兩圓柱端有徑向通孔；所述雙孔耳片為U形結(jié)構(gòu)，耳片上端部各有直徑相等的通孔，多個雙孔耳片分別沿固定體內(nèi)壁面下部和噴管外壁上部周向等角度分布固連，固定體內(nèi)壁面下部的雙孔耳片與噴管外壁上部的雙孔耳片數(shù)量相等，且固定體內(nèi)壁面下部的雙孔耳片與噴管外壁面上部的雙孔耳片相對應(yīng)，驅(qū)動桿一端與固定體內(nèi)壁面下部雙孔耳片連接，驅(qū)動桿另一端與噴管外壁上部的雙孔耳片連接，實(shí)現(xiàn)整個擺動噴管結(jié)構(gòu)間力的承受和傳遞。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于智能復(fù)合材料的可變形擺動噴管，其特征在于:所述驅(qū)動桿為4?8個的任意一種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于智能復(fù)合材料的可變形擺動噴管，其特征在于:所述驅(qū)動桿、擺動噴管采用智能形狀記憶合金材料。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于智能復(fù)合材料的可變形擺動噴管，由雙孔耳片、驅(qū)動桿、固定體、擺動噴管和發(fā)動機(jī)殼體組成。固定體與發(fā)動機(jī)殼體連接，固定體位于固體發(fā)動機(jī)的后端部，并采用多根驅(qū)動桿作為擺動噴管的支撐件，多個雙孔耳片分別沿固定體內(nèi)壁面下部和噴管外壁上端部周向等角度分布固連,驅(qū)動桿一端與固定體內(nèi)壁面上的雙孔耳片連接，驅(qū)動桿另一端與噴管外壁上的雙孔耳片連接，多根驅(qū)動桿周向分布相互配合實(shí)現(xiàn)噴管的饒軸擺動。通過驅(qū)動桿的伸縮控制，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)擺動噴管的精確控制，為飛行器的姿態(tài)控制提供矢量推力控制方式；通過噴管型面的不同高度的適應(yīng)性變形，提高了發(fā)動機(jī)的燃燒效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)飛行器的整體優(yōu)化。
【IPC分類】F02K9/97, F02K9/80
【公開號】CN105003359
【申請?zhí)枴緾N201510411688
【發(fā)明人】張柯, 趙成澤, 李奧, 史祥鵬, 朱政光, 李春娜
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年10月28日
【申請日】2015年7月14日