一种大燃气量供气模式的固体矢量推力装置的制作方法

1.本技术涉及运载火箭姿控动力系统技术领域，特别涉及一种大燃气量供气模式的固体矢量推力装置。


背景技术：

2.运载火箭姿控动力系统在运载火箭飞行过程中起着重要作用，包括控制运载火箭完成俯仰、偏航、滚转、轨道保持、速度修正等。传统液体运载火箭姿控动力系统部组件分布分散，输送管路穿插复杂，气密泄漏风险较高，总装测试工序繁多，并且需要运载火箭总体系统设计预留大量空间容纳姿控系统，降低了运载火箭可靠性和空间利用效率，制约了运载火箭快速响应能力及运载载荷能力的提升和发展。
3.另外，运载火箭姿控动力系统可提供短时间的持续推力，进行偏转与姿态控制，一般与主飞行轨迹的轴线成90
°
。固体推进剂因其固有的易获得性、可贮存性、安全性高和维护使用方便等方面的优点，克服了有毒液体推进剂带来的安全隐患问题。但相较于液体姿轨控动力系统推力大、比冲高、工作时间长而言，固体姿轨控动力系统目前仍存在推力小、比冲低、工作时间短、推进剂利用率低等不足的缺点。
4.传统的燃气发生器通常燃面较小，一般药柱为单侧等截面的端面燃烧，无法提供长工作时间的大燃面燃烧。通常情况下，固体姿控发动机安装于导弹的环形空间内，空间包络较小，对固体姿控发动机的体积和质量包络提出了极高的要求。采用传统的单侧端面燃烧燃气发生器结构，消极质量高，空间利用率较低，已无法适应于未来导弹武器对轻质高效固体姿控发动机的要求。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供一种大燃气量供气模式的固体矢量推力装置，以解决相关技术中单侧端面燃烧燃气发生器结构存在消极质量高的问题。
6.本技术实施例提供了一种大燃气量供气模式的固体矢量推力装置，包括：
7.燃发器，所述燃发器设有多组，所述燃发器包括壳体和位于壳体两端的燃气排出口，所述壳体内同轴设有一端开口四周封闭的双层环形绝热层，所述双层环形绝热层内装填有药柱，所述双层环形绝热层的中心孔内同轴设有中心管，所述中心管的一端朝向双层环形绝热层的开口端并与其中一个燃气排出口连通，所述中心管的另一端与另一个燃气排出口连通；
8.姿控器，所述姿控器包括将多组燃发器首尾连接并组成环形燃气通道的多条燃气管路，所述燃气管路的一端与其中一组燃发器的燃气排出口连通，燃气管路的另一端与另一组燃发器的燃气排出口连通，多条所述燃气管路上共设有六组推力器，六组推力器出口方向的轴线共同组成“卄”形结构。
9.在一些实施例中：所述双层环形绝热层包括：
10.外筒体，所述外筒体的外壁粘接在所述壳体内壁上；
11.内筒体，所述内筒体同轴位于所述外筒体内，所述内筒体的一端与所述外筒体的一端之间形成燃面窗口；
12.环状连接层，所述环状连接层的外边缘和内边缘分别与所述外筒体另一端和内筒体另一端相连接，并在所述外筒体、内筒体和环状连接层之间形成装填药柱的药柱填充空间。
13.在一些实施例中：所述第一间隙的大小为0～0.5mm，且当取值为0时，所述第二部分与所述外筒体的内壁接触且不粘接。
14.在一些实施例中：所述燃发器还包括人工脱粘层，所述人工脱粘层包括沿所述壳体的轴向分布且互相连接的第一部分和第二部分，所述第一部分粘接在所述外筒体的内壁上并靠近所述环状连接层，所述第二部分远离所述环状连接层并与所述外筒体的内壁形成第一间隙；
15.所述外筒体的内壁上开设有导气槽，所述导气槽与第一间隙连通。
16.在一些实施例中：所述导气槽的横断面呈矩形或弧形，所述导气槽有多个，且沿外筒体周向均匀分布；
17.所述导气槽在所述人工脱粘层表面的投影位于所述第二部分上，所述导气槽沿所述壳体轴向延伸。
18.在一些实施例中：所述壳体为两端开口的圆形筒体结构，所述壳体的两端均设有顶盖，所述燃气排出口位于顶盖上，所述顶盖内壁上设有顶盖绝热层；
19.所述中心管一端与其所在侧的燃气排出口通过耐高温过滤器连通，所述中心管另一端与其所在侧的燃气排出口通过耐高温过滤器连通。
20.在一些实施例中：所述内筒体的直径大于所述中心管外径，所述内筒体与所述中心管所形成的第二间隙的大小为1～2mm。
21.在一些实施例中：还包括设于所述壳体内的点火药盒，所述点火药盒朝向双层环形绝热层的开口端，所述点火药盒包括药盒壳体，所述药盒壳体内部设有火药存放室；
22.所述药盒壳体上还开设有燃气孔，所述燃气孔一端连通所述火药存放室，另一端朝向双层环形绝热层的开口端，所述火药存放室内存储有点火药。
23.在一些实施例中：所述火药存放室内伸入有点燃点火药的点火线，点火线一端穿出所述药盒壳体外，所述燃气孔上设有密封膜；
24.所述药盒壳体呈环形，且其中部形成有与中心管和燃气排出口连通的燃气通道，所述火药存放室呈环形。
25.在一些实施例中：所述推力器包括：
26.喷管，以及控制所述喷管的开启或者关闭的阀门，所述喷管的喷口朝向被控飞行器的外侧，所述阀门连接在喷管和燃气管路之间；
27.所述阀门上设有控制所述阀门调节所述喷管的喉部面积大小的执行器。
28.本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：
29.本技术实施例提供了一种大燃气量供气模式的固体矢量推力装置，由于本技术的固体矢量推力装置设置了燃发器和姿控器。其中，燃发器设有多组，燃发器包括壳体和位于壳体两端的燃气排出口，壳体内同轴设有一端开口四周封闭的双层环形绝热层，双层环形绝热层内装填有药柱，双层环形绝热层的中心孔内同轴设有中心管，中心管的一端朝向双
层环形绝热层的开口端并与其中一个燃气排出口连通，中心管的另一端与另一个燃气排出口连通。姿控器包括将多组燃发器首尾连接并组成环形燃气通道的多条燃气管路，燃气管路的一端与其中一组燃发器的燃气排出口连通，燃气管路的另一端与另一组燃发器的燃气排出口连通，多条燃气管路上各设有六组推力器，六组推力器出口方向的轴线共同组成“卄”形结构。
30.因此，本技术的燃发器在壳体两端均设有燃气排出口，药柱被点燃后持续稳定地燃烧，产生高温高压的燃气，一部分燃气可从左侧的燃气排出口排出，另一部分进入中心管中，经右侧的燃气排出口排出。燃气可在中心管中来回流动，为两侧的姿控器提供稳定的高温高压燃气工质，同时，燃发器自身也作为供气通道或管路的一部分，燃气可从中心管左侧或右侧通向各个推力器。本技术采用两边出气的燃发器结构，有效避免了传统单侧端面燃烧燃发器结构空间不足的局限，同等使用功能要求下，采用两边出气的燃发器能够节省近一半的消极质量，且能够长时间工作并提供大燃面的恒定流量的燃气。
31.此外，在多组燃发器之间设有将多组燃发器首尾连接并组成环形燃气通道的多条燃气管路，在多条所述燃气管路上共设有六组推力器。六组推力器出口方向的轴线共同组成“卄”形结构，所有推力器共用多组燃发器。本技术的固体矢量推力装置采用多组燃发器并联，并组成环形燃气通道的供气模式，实现在狭小空间的大燃气量供应。六组推力器出口方向的轴线共同组成“卄”形结构是满足多通道独立控制的情况下最小推力器数量，可有效简化系统结构，共用燃发器可瞬间提供大燃气量，有利于在小空间内提升系统的推力，有利于能量集中管理、统筹应用。六组推力器与燃气管路、多组燃发器呈环形布置，共同组成一个环形燃气通道，推力器和燃发器自身也是环形燃气通道的一部分。燃发器内的燃气从燃气管路通向各个推力器，实现结构功能一体化，减少了管路的长度，减少系统压降，简化系统组部件数量，节省安装空间。
附图说明
32.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例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的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为本技术实施例的结构示意图；
34.图2为本技术实施例安装在被控飞行器上的结构示意图；
35.图3为本技术实施例燃发器的结构示意图；
36.图4为本技术实施例提供的双层环形绝热层示意图；
37.图5为本技术实施例提供的人工脱粘层和第一间隙布置图；
38.图6为本技术实施例提供的导气槽示意图；
39.图7为本技术实施例提供的点火药盒示意图。
40.附图标记：
41.1、壳体；2、双层环形绝热层；20、导气槽；21、外筒体；22、内筒体；220、燃面窗口；23、环状连接层；24、药柱填充空间；25、第二间隙；3、人工脱粘层；30、第一间隙；4、中心管；5、药柱；6、顶盖；60、燃气排出口；61、顶盖绝热层；7、点火药盒；70、药盒壳体；71、燃气孔；
72、点火药；73、点火线；74、燃气通道；75、密封膜；8、耐高温过滤器；9、燃发器；10、燃气管路；11、喷管；12、阀门；13、执行器；14、被控飞行器。
具体实施方式
42.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
43.本技术实施例提供了一种大燃气量供气模式的固体矢量推力装置，其能解决相关技术中单侧端面燃烧燃气发生器结构存在消极质量高的问题。
44.参见图1至图3所示，本技术实施例提供了一种大燃气量供气模式的固体矢量推力装置，包括：
45.燃发器9，该燃发器9设有多组，本技术实施例以两组燃发器9为例进行说明，当然燃发器9的数量还可以根据实际需要设置三组、四组或更多。两组燃发器9相互平行且间隔设置，燃发器9包括壳体1和位于壳体1两端的燃气排出口60，壳体1内同轴设有一端开口四周封闭的双层环形绝热层2，双层环形绝热层2内装填有药柱5。在双层环形绝热层2的中心孔内同轴设有中心管4，中心管4采用碳碳中心管，中心管4的一端朝向双层环形绝热层2的开口端并与其中一个燃气排出口60连通，中心管4的另一端与另一个燃气排出口60连通。
46.药柱5被点燃后持续稳定地燃烧，产生高温高压的燃气，一部分燃气可从左侧的燃气排出口60排出，另一部分进入中心管4中，经右侧的燃气排出口60排出。燃气可在中心管4中来回流动，从两侧为姿控发动机提供稳定的高温高压燃气工质，同时，燃发器自身也作为供气通道或管路的一部分，燃气可从中心管左侧或右侧通向各个推力器。
47.姿控器，该姿控器包括将两组燃发器9首尾连接并组成环形燃气通道的两条燃气管路10，燃气管路10的一端与其中一组燃发器9的燃气排出口60连通，燃气管路10的另一端与另一组燃发器9的燃气排出口60连通。两条燃气管路10上各设有三组推力器，两条燃气管路10上推力器出口方向的轴线共同组成“卄”形结构。
48.本技术实施例的燃发器9在壳体1两端均设有燃气排出口60，药柱5被点燃后持续稳定地燃烧，产生高温高压的燃气，一部分燃气可从左侧的燃气排出口60排出，另一部分进入中心管4中，经右侧的燃气排出口60排出。燃气可在中心管4中来回流动，为两侧的姿控器提供稳定的高温高压燃气工质。
49.同时，燃发器9自身也作为供气通道或管路的一部分，燃气可从中心管4左侧或右侧通向各个推力器。本技术采用两边出气的燃发器9结构，有效避免了传统单侧端面燃烧燃发器结构空间不足的局限，同等使用功能要求下，采用两边出气的燃发器9能够节省近一半的消极质量，且能够长时间工作并提供大燃面的恒定流量的燃气。
50.此外，在两组燃发器9之间设有将两组燃发器9首尾连接并组成环形燃气通道的两条燃气管路10，在两条燃气管路10上各设有三组推力器。两条燃气管路10上的六组推力器的出口方向共同组成“卄”形结构，所有推力器共用两组燃发器9。六组推力器组成“卄”形结构是满足多通道独立控制的情况下最小推力器数量，可有效简化系统结构，共用燃发器9可瞬间提供大燃气量，有利于在小空间内提升系统的推力，有利于能量集中管理、统筹应用。
51.六组推力器与燃气管路10、两组燃发器9呈环形布置，共同组成一个环形燃气通道，推力器和燃发器9自身也是环形燃气通道的一部分。燃发器9内的燃气从燃气管路10通向各个推力器，实现结构功能一体化，减少了管路的长度，减少系统压降，简化系统组部件数量，节省安装空间。
52.在一些可选实施例中：参见图4所示，本技术实施例提供了一种大燃气量供气模式的固体矢量推力装置，该固体矢量推力装置的双层环形绝热层2包括：外筒体21、内筒体22和环状连接层23，外筒体21的外壁粘接在壳体1内壁上，内筒体22位于外筒体21内，内筒体22的一端与外筒体21的一端之间形成燃面窗口220。环状连接层23的外边缘和内边缘分别与外筒体21另一端和内筒体22另一端相连接，并在外筒体21、内筒体22和环状连接层23之间形成药柱药柱填充空间24，药柱5经燃面窗口220可以填充入药柱药柱填充空间24内。
53.在燃发器9工作过程中，燃气可从燃发器9的中心管4两侧稳定输出，可有效避免燃面异常增大引起压强升高的技术风险。燃发器9的中心管4采用耐高温抗冲刷复合材料，可适用于大流量燃气冲刷，保护燃发器内筒体22的结构完整性。燃发器9采用端面燃烧可较长时间工作，解决了小肉厚和推进剂燃速下限偏高导致工作时长受限的问题。
54.在一些可选实施例中：参见图5和图6所示，本技术实施例提供了一种大燃气量供气模式的固体矢量推力装置，该固体矢量推力装置的燃发器9还包括人工脱粘层3，人工脱粘层3包括沿壳体1的轴向分布且互相连接的第一部分和第二部分，第一部分粘接在外筒体21的内壁上并靠近环状连接层23，第二部分远离环状连接层23并与外筒体21的内壁形成第一间隙30；外筒体21的内壁上开设有导气槽20，导气槽20与第一间隙30连通。
55.本实施例中，人工脱粘层3分成两部分，一部分为与外筒体21完全粘接的第一部分，另一部分为与外筒体21不粘接，以形成第一间隙30的第二部分，同时在外筒体21的内壁上开设导气槽20，并使导气槽20与第一间隙30连通，其好处是：第一、导气槽的存在使得人工脱粘层内外两侧受力能够迅速达到平衡，减小了药柱与人工脱粘层之间的界面应力，可有效防止发生界面脱粘。第二、当燃烧室压强不断波动时，导气槽可实时适应压强的变化，使人工脱粘层内外两侧压力平衡，保证药柱界面的完整性。
56.导气槽20的形式有多种，作为示例，比如，采用螺旋式的，再比如，导气槽20沿壳体1轴向延伸，一方面，可以降低加工难度，另一方面，有利于燃气进入人工脱粘层3和外筒体21二者界面之间，以使得人工脱粘层内外两侧受力能够迅速达到平衡。第一间隙30的大小为0～0.5mm，且当取值为0时，第二部分与外筒体21的内壁接触且不粘接。第二部分与外筒体21之间的间隙较小，为滞止区，高温燃气充入后温度不会太高，可有效保护壳体壁面。
57.导气槽20的横断面可以有多种形式，作为示例，比如图6所示的呈矩形，矩形四角为倒角，再比如呈弧形。导气槽20有多个，且沿外筒体21周向均匀分布，比如，导气槽20有12个。导气槽20在人工脱粘层3表面的投影位于第二部分上。
58.在一些可选实施例中：参见图5所示，本技术实施例提供了一种大燃气量供气模式的固体矢量推力装置，该固体矢量推力装置的壳体1为两端开口的圆形筒体结构，在壳体的两端均设有顶盖6，燃气排出口60位于顶盖6上，在顶盖6内壁上设有顶盖绝热层61，顶盖绝热层61以对顶盖6进行保护。
59.中心管4一端与其所在侧的燃气排出口60通过耐高温过滤器8连通，中心管4另一端与其所在侧的燃气排出口60和燃面窗口220通过耐高温过滤器8连通。药柱5被点燃后持
续稳定燃烧，产生高温高压的燃气，经左侧的耐高温过滤器8过滤后，一部分燃气可从燃发器9左侧排出，另一部分进入中心管4中，经右侧耐高温过滤器8过滤后排出。
60.内筒体22的直径大于中心管4外径，以使得内筒体22与中心管4之间能够形成第二间隙25，在药柱5燃烧过程中，燃气进入此间隙，可平衡内筒体22及后封头绝热层内外表面的压力差，避免内筒体22与药柱5脱粘引起的燃面暴增风险。可选地，内筒体22与中心管4所形成的第二间隙25的大小为1～2mm。该间隙较小，为滞止区，高温燃气充入后温度不会太高，可有效保护中心管4。可选地，环状连接层23与内筒体22所形成的夹角α为钝角，夹角α的取值范围为100
°
～145
°
。
61.在一些可选实施例中：参见图7所示，本技术实施例提供了一种大燃气量供气模式的固体矢量推力装置，该固体矢量推力装置还包括点火药盒7包括药盒壳体70、点火药72和点火线73，药盒壳体70内部设有火药存放室，药盒壳体70上还开设有燃气孔71，燃气孔71一端连通火药存放室，另一端朝向燃面窗口220；点火药72存储在火药存放室内，点火线73一端伸入点火药72，另一端穿出药盒壳体70。接收点火指令后点火线73提供点火电流，引燃点火药72，迅速燃烧后产生高温高压燃气，从端面的燃气孔71里排出，进而经燃面窗口220点燃药柱5。在燃烧的过程中，药盒壳体70本身也可以燃烧。由于中心管4的存在，使得药柱5呈环形，为了可靠地引燃，参见图7所示，药盒壳体70呈环形，且其中部形成有与中心管4和燃气排出口60连通的燃气通道74，火药存放室呈环形。
62.采用环形、可燃的点火药盒，建压快，点火延迟时间短暂，可在发火后迅速均匀的引燃整个燃发器的药柱端面。点火药盒结构空间小，可直接粘接在顶盖绝热层上，工艺性好，便于安装。点火药盒自身采用可燃的环保材料，比如赛璐珞、低密度聚乙烯，主装药采用硼-硝酸钾(或镁-聚四氟乙烯)和黑火药(比如2号小粒黑火药或3号小粒黑火药)的混合形式，采用半导体桥式高顿感起爆器点燃主装药，可靠性好，便于长期贮存。
63.参见图7所示，燃气孔71上设有密封膜75，密封膜75呈环形，可以对点火药72密封保护，便于长期贮存。密封膜75的材料有多种选择，作为示例，可以采用铝箔，或者其他的材料。为了可靠有效地点燃药柱5，参见图5所示，燃气孔71有多个，且呈环形阵列排布；或者，燃气孔71沿药盒壳体70周向延伸呈弧形。
64.在一些可选实施例中：参见图1和图2所示，本技术实施例提供了一种大燃气量供气模式的固体矢量推力装置，该固体矢量推力装置的推力器包括：喷管11，以及控制喷管11的开启或者关闭的阀门12。各喷管11的喷口朝向被控飞行器14的外侧，阀门12连接在喷管11和燃气管路10之间。阀门12上设有控制阀门12调节喷管11的喉部面积大小的执行器13。
65.工作原理
66.本技术实施例提供了一种大燃气量供气模式的固体矢量推力装置，由于本技术的固体矢量推力装置设置了燃发器9和姿控器。其中，燃发器9设有多组，燃发器9包括壳体1和位于壳体1两端的燃气排出口60，壳体1内同轴设有一端开口四周封闭的双层环形绝热层2，双层环形绝热层2内装填有药柱5，双层环形绝热层2的中心孔内同轴设有中心管4，中心管4的一端朝向双层环形绝热层2的开口端并与其中一个燃气排出口60连通，中心管4的另一端与另一个燃气排出口60连通。姿控器包括将多组燃发器9首尾连接并组成环形燃气通道的多条燃气管路10，燃气管路10的一端与其中一组燃发器9的燃气排出口60连通，燃气管路10的另一端与另一组燃发器9的燃气排出口60连通，多条燃气管路10上共设有六组推力器，六
组推力器出口方向的轴线共同组成“卄”形结构。
67.因此，本技术的燃发器9在壳体1两端均设有燃气排出口60，药柱5被点燃后持续稳定地燃烧，产生高温高压的燃气，一部分燃气可从左侧的燃气排出口60排出，另一部分进入中心管4中，经右侧的燃气排出口60排出。燃气可在中心管4中来回流动，为两侧的姿控器提供稳定的高温高压燃气工质，同时，燃发器9自身也作为供气通道或管路的一部分，燃气可从中心管4左侧或右侧通向各个推力器。本技术采用两边出气的燃发器9，有效避免了传统单侧端面燃烧燃发器结构空间不足的局限，同等使用功能要求下，采用两边出气的燃发器9能够节省近一半的消极质量，且能够长时间工作并提供大燃面的恒定流量的燃气。
68.此外，在多组燃发器9之间设有将多组燃发器9首尾连接并组成环形燃气通道的多条燃气管路10，在多条燃气管路10上共设有六组推力器。多条燃气管路10上的六组推力器出口方向的轴线共同组成“卄”形结构，所有推力器共用多组燃发器9。六组推力器组成“卄”形结构是满足多通道独立控制的情况下最小推力器数量，可有效简化系统结构，共用燃发器9可瞬间提供大燃气量，有利于在小空间内提升系统的推力，有利于能量集中管理、统筹应用。六组推力器与燃气管路10、多组燃发器9呈环形布置，共同组成一个环形燃气通道，推力器和燃发器9自身也是环形燃气通道的一部分。燃发器9内的燃气从燃气管路10通向各个推力器，实现结构功能一体化，减少了管路的长度，减少系统压降，简化系统组部件数量，节省安装空间。
69.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
70.需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
71.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。