一种复合推进剂发动的制造方法
【专利摘要】一种复合推进剂发动机，药柱的一端装入并固定在该喷管连接段内，药柱的另一个端面与前封头的内端面相邻，两者之间有药柱的膨胀间隙。初态燃烧室位于壳体内，并使初态燃烧室中的前封头的前端位于壳体的一个端面外；初态燃烧室中的喷管的一端位于壳体的另一个端面外。点火器的一端位于初态燃烧室中的前封头内，并与前封头连接；点火器的另一端延伸至药柱的中心孔内。堵盖粘接在所述喷管的扩散段内。衬套位于壳体内，并套装在初态燃烧室的外表面。本实用新型解决了复合推进剂药柱强度低、刚性差，在玻璃丝缠绕预紧力的作用下易发生弯曲变形，无法在药柱外直接缠绕复合材料壳体的工艺难题，并且生产成本低，可实现发动机的批量生产。
【专利说明】一种复合推进剂发动机
【技术领域】
[0001] 本发明涉及固体火箭发动机领域，具体是一种非金属壳体复合推进剂发动机。
【背景技术】
[0002] 在火箭动力装置中，常规的复合推进剂发动机具有以下特征：
[0003] ⑴作为弹体结构的一部分，用于构成发动机工作的压力燃烧室，使推进剂燃烧产 物的热能转化成动能。其中发动机壳体可以采用金属机械加工件或非金属复合材料缠绕 件。
[0004] ⑵复合推进剂由于能量高，目前广泛使用在各种固体火箭发动机上，针对不同的 复合推进剂装药设计，通过两种装药方式实现：
[0005] -种为药柱自由装填方式，药柱需浇注在绝热套中，总装时再将绝热药柱自由装 填在壳体中，装药过程和结构件制作过程可同时进行，生产周期短，工艺相对简单。对于复 合推进剂，由于药柱本身强度低、延伸率高等特性，该装药形式多见于端面燃烧药型，只能 提供小推力长时间的内弹道性能，主要用于续航发动机，适合于金属壳体发动机。这种装药 工艺，复合推进剂使用的比较少，在双基推进剂上使用得较为普遍。
[0006] 另一种采用贴壁浇注形式，要求发动机结构件先行加工，然后顺序绝热、装药，使 发动机装药与壳体粘接成为一个整体。由于制作的工艺要求，一般适合于中、大直径产品的 生产，发动机壳体可以是金属件，也可以是复合材料缠绕件。该工艺整体生产周期长，通过 不同的三维药形设计可以满足不同发动机内弹道性能的需求，使用比较广泛，常见于助推 发动机，但不适用于小口径的发动机装药。
【发明内容】
[0007] 为解决小口径发动机能量低和复合推进剂带药缠绕复合材料壳体的工艺难题，本 发明提出了一种复合推进剂发动机。
[0008] 本发明包括初态燃烧室、壳体、点火器和堵盖。所述初态燃烧室包括前封头、药柱、 衬套和喷管。所述药柱的一端装入并固定在该喷管连接段内，药柱的另一个端面与前封头 的内端面相邻，两者之间有1?15mm的间隙，该间隙为药柱的膨胀间隙。所述初态燃烧室 位于壳体内，并使初态燃烧室中的前封头的前端位于壳体的一个端面外；初态燃烧室中的 喷管的一端位于壳体的另一个端面外。点火器的一端位于初态燃烧室中的前封头内，并与 所述前封头螺纹连接；点火器的另一端延伸至药柱的中心孔内。堵盖粘接在所述喷管的扩 散段内。衬套位于壳体内，并套装在初态燃烧室的外表面。
[0009] 所述前封头的最大外径与配合的衬套的内径匹配，两者间隙约0. 2?0. 5_ ;前封 头的最小外径段为螺纹段，用于和弹体结构件对接。前封头的内表面为阶梯状，内部螺纹直 径、长度与配合的点火器的外形尺寸相配合。在前封头一端的端面中心有圆形凹槽。当所 述前封头与衬套、药柱安装配合后，该凹槽的空间形成了点火空间。
[0010] 所述衬套的壁厚为1. 5?3_，衬套内径与前封头和喷管的大直径端配合。 toon] 本发明中，药柱靠近前封头处一端为自由端，可随环境温度变化而进行适应性变 形，确保药柱在全使用温度范围内的结构完整性。前封头、药柱、衬套、喷管构成一个整体， 形成了初始状态的燃烧室。衬套在整个发动机中起到绝热、密封和支撑作用，防止发动机在 工作过程中出现烧穿、漏气现象。并通过衬套提高了缠绕壳体的工艺性：利用前封头外形 面和喷管扩散段将初态燃烧室固定在缠绕机上，以此作为缠绕机的芯模，采用常规方法，用 高强度复合材料纤维进行发动机壳体的三维往复缠绕，一层一层直至达到预定厚度，然后 将缠绕体在50?60°C的保温条件下固化2?4天，确保完全固化，最后对外形尺寸进行机 械加工性成最终状态的发动机燃烧室。
[0012] 本发明通过在药柱外装配衬套的方法解决了复合推进剂药柱强度低、刚性差，在 玻璃丝缠绕预紧力的作用下易发生弯曲变形，无法在药柱外直接缠绕复合材料壳体的工艺 难题，同时这种工艺方法使发动机具备良好的密封绝热作用，提高了壳体强度；采用这种 工艺的发动机内弹道适应性广泛，通过调整药型可满足不种用途的发动机的内弹道性能要 求；由于采用比强度高的复合材料壳体，降低了发动机总质量，质量比可提高至0. 63以上。 该成型方法由于零部件数量少，原材料价格低，因此简化了生产工艺，降低了人工和原材料 成本，适于批量生产；由于在自由装填的工艺基础上采用了高能量的复合推进剂，发动机可 实现大推力、高质量比的设计思路，因此可为增雨防雹火箭、探空火箭等多种火箭产品提供 优质的飞行动力装置，以携带更大质量的有效载荷或提供更高的射程，完成或实现特定的 作业任务。
[0013] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0014] 1该成型方法使发动机内弹道适应性广泛，可利用复合推进剂实现自由装填工艺， 满足弹总体对发动机的内弹道需求，同时由于使用了衬套结构，使发动机绝热可靠、密封良 好。
[0015] 2由于复合推进剂药柱可在初态燃烧室内随环境温度变化而进行适应性变形，因 此可确保发动机在全使用温度范围内的药柱结构完整性；
[0016] 3突破性的实现了复合推进剂药柱发动机壳体的带药缠绕成型工艺，通过实际操 作验证该工艺方法简单成熟，成本低，可实现发动机的批量生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 附图1是前封头结构示意图；
[0018] 附图2是喷管结构示意图；
[0019] 附图3是药柱结构主视图；
[0020] 附图4是药柱结构侧视图；
[0021] 附图5是衬套结构示意图；
[0022] 附图6是初态燃烧室结构示意图；
[0023] 附图7是本发明的结构示意图。
[0024] 图中：1.前封头；2.药柱；3.衬套；4.喷管；5.壳体；6.点火器；7.堵盖。
【具体实施方式】
[0025] 本实施例是一种复合推进剂发动机，包括初态燃烧室、壳体5、点火器6和堵盖7。 所述初态燃烧室位于壳体5内，并使初态燃烧室中的前封头1的前端位于壳体5的一个端 面外；初态燃烧室中的喷管4的一端位于壳体5的另一个端面外。点火器6的一端位于初 态燃烧室中的前封头1内，并与所述前封头1螺纹连接；点火器6的另一端延伸至药柱2的 中心孔内。堵盖7粘接在所述喷管4的扩散段内。
[0026] 所述初态燃烧室包括前封头1、药柱2、衬套3和喷管4。
[0027] 所述药柱2的外圆周表面为阶梯状，一端的小直径端的外径与喷管4连接段的内 径相同，将药柱2的小直径端装入喷管4连接段内，通过螺纹连接。药柱2的另一个端面与 前封头1的内端面相邻，两者之间有1?15mm的间隙，该间隙为药柱的膨胀间隙。本实施 例中，所述的膨胀间隙为5mm。衬套3位于壳体1内，并套装在初态燃烧室的外表面
[0028] 前封头1为中空回转体。所述前封头1的外圆周表面为阶梯状，该外圆周的最大 外径与配合的衬套3的内径匹配，两者间隙约0. 2?0. 5_ ;前封头1的最小外径段为螺纹 段，用于和弹体结构件对接。前封头1的内表面为阶梯状，内部螺纹直径、长度与配合的点 火器6的外形尺寸相配合。在前封头1一端的端面中心有圆形凹槽。当所述前封头1与衬 套3、药柱2安装配合后，该凹槽的空间形成了点火空间。
[0029] 药柱2为中空体。所述药柱2的外径小于衬套3的内径1mm左右，该药柱2的一 端为阶梯状，形成了小直径端，小直径端上的螺纹用于和喷管4的内螺纹连接，小直径端的 长度略小于喷管4等径孔的长度。药柱2内孔的孔径大于点火器6的外径6?20_。药柱 内部为中空形式，内型面的形状、尺寸可依据发动机指标要求进行适应性调整。
[0030] 衬套3亦为薄壁状回转体，采用高强度非金属材料纤维一层层卷制而成。衬套3 的壁厚约1. 5?3_，衬套3内径与前封头1和喷管4的大直径端配合。
[0031] 喷管4为中空回转体。喷管4的外圆周表面为阶梯状，其大端外径与衬套3的内径 匹配，两者间隙约0. 2?0. 5_，小端外径用于和全弹尾翼内孔匹配连接。喷管4大端外径 一端的内孔为螺纹孔，用于和药柱2的螺纹连接。喷管内的燃气通道采用拉瓦尔喷管形式， 由收敛段、喉部、扩散段组成，各组成部分要求与外型面同轴，且须光滑过渡，构成了发动机 的燃气收缩、膨胀通道，并由此产生发动机推力。
[0032] 组成初态燃烧室时，将前封头1、药柱2、衬套3、喷管4四个零件按照图7的状态组 装在一起。利用药柱2和喷管4上的螺纹将两者连接，然后在药柱2外部套上衬套3,将衬 套3 -端的内径与喷管4的大直径段贴合，另一端与前封头1的大圆柱面贴合，在贴合处用 胶粘接，装配时应保证药柱2的一端与前封头1之间存在间隙，间隙约1?15_，胶完全固 化后形成初态燃烧室。制作时应确保各部件同轴，连接紧固。初态燃烧室使前封头1、药柱 2、衬套3、喷管4形成一个整体，方便后期工艺过程的进行。
[0033] 壳体5为薄壁状回转体，采用强度大于2000MPa高强玻璃纤维，通过常规的缠制方 法制作而成。壳体5的内径与初态燃烧室的外径相同。
[0034] 点火器6是现有成熟技术，内装用于引燃推进剂的点火药。其螺纹须与前接头1 的内螺纹匹配。
[0035] 发动机总成。利用螺纹将点火器6旋转固定在发动机燃烧室的前封头1上，拧紧 力矩15N · m，堵盖7用胶粘接在喷管4扩散段上并固化，要求确保点火器与燃烧室、燃烧室 和堵盖之间密封，由此构成发动机。
【权利要求】
1. 一种复合推进剂发动机，其特征在于，包括初态燃烧室、壳体、点火器和堵盖；所述 初态燃烧室包括前封头、药柱、衬套和喷管；所述药柱的一端装入并固定在该喷管连接段 内，药柱的另一个端面与前封头的内端面相邻，两者之间有1?15mm的间隙，该间隙为药柱 的膨胀间隙；所述初态燃烧室位于壳体内，并使初态燃烧室中的前封头的前端位于壳体的 一个端面外；初态燃烧室中的喷管的一端位于壳体的另一个端面外；点火器的一端位于初 态燃烧室中的前封头内，并与所述前封头螺纹连接；点火器的另一端延伸至药柱的中心孔 内；堵盖粘接在所述喷管的扩散段内；衬套位于壳体内，并套装在初态燃烧室的外表面。
2. 如权利要求1所述一种复合推进剂发动机，其特征在于，前封头的最大外径与配合 的衬套的内径匹配，两者间隙约〇. 2?0. 5mm ;前封头的最小外径段为螺纹段，用于和弹体 结构件对接；前封头的内表面为阶梯状，内部螺纹直径、长度与配合的点火器的外形尺寸相 配合；在前封头一端的端面中心有圆形凹槽；当所述前封头与衬套、药柱安装配合后，该凹 槽的空间形成了点火空间。
3. 如权利要求1所述一种复合推进剂发动机，其特征在于，衬套的壁厚为1. 5?3mm， 衬套内径与前封头和喷管的大直径端配合。
【文档编号】F02K9/08GK203847275SQ201420081195
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年2月25日 优先权日:2014年2月25日
【发明者】郭常胜, 王金华, 刘宇辉, 李玲, 高新建, 华成, 常玉春, 常虹, 张晓航, 杨智强, 高超峰, 王鹏, 张权, 王文韬, 王晓霞, 姚梦涛, 高波, 王旭升, 邵平, 王宁, 甘路 申请人:陕西中天火箭技术股份有限公司