一种用于火箭发动机吹除切换的阀结构和火箭的制作方法

1.本发明涉及火箭领域，具体涉及一种用于火箭发动机吹除切换的阀结构。


背景技术：

2.航天运载器(如火箭)飞行前，需要为其发动机加注低温推进剂。在加注低温推进剂前后，需要对发动机进行吹除，防止空气中的水汽进入发动机内部出现结冰问题。由于火箭自带的吹除气瓶不能维持对发动机的长时间吹除，在火箭发射前需要先将地面供气系统连接发动机吹除系统，对其进行吹除。待火箭临发射前，再切换为箭上气瓶对发动机进行吹除。地面吹除系统和箭上系统设置有单向阀，以防止吹除时互相串气。通常，需要设置三台单向阀才能完成双推进剂的吹除。如此，不仅单向阀数量繁多，其发动机结构、布局等也更加复杂，难以满足商业航天使用需求。
3.为简化吹除系统或发动机系统结构以实现地面吹除和箭上吹除功能切换，设计一种用于火箭发动机吹除切换的阀结构显得尤为重要。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于火箭发动机吹除切换的阀结构。
5.本发明提供一种用于火箭发动机吹除切换的阀结构，包括：壳体、套筒和阀盖；所述壳体与所述套筒固定连接形成第一空腔；所述壳体沿其轴向方向设置有连通所述第一空腔和箭上吹除系统的箭上吹除入口，用于将箭上吹除系统的气体导入所述第一空腔；所述第一空腔内设置有第一阀芯，所述第一阀芯与所述第一空腔间隙配合；所述第一阀芯与所述套筒之间设置有第一弹性元件，所述第一阀芯在所述第一弹性元件的弹性作用下抵住所述箭上吹除入口，以对所述箭上吹除入口形成密封；所述套筒与所述阀盖固定连接形成第二空腔，所述阀盖设置有连通所述第二空腔和地面吹除系统的地面吹除入口，用于将地面吹除系统的气体导入所述第二空腔；所述套筒设置有连通所述第一空腔和所述第二空腔的第一吹除孔；所述第二空腔内设置有第二阀芯，所述第二阀芯与所述第二空腔间隙配合，所述第二阀芯与所述套筒之间设置有第二弹性元件，所述第二阀芯在所述第二弹性元件的弹性作用下抵住所述地面吹除入口，以对所述地面吹除入口形成密封；所述壳体还设置有连通所述第一空腔和火箭发动机的吹除出口，用于将所述第一空腔内气体导出至火箭发动机；箭上吹除系统向所述箭上吹除入口通气时，气体作用于所述第一阀芯，使其向远离所述箭上吹除入口的方向运动，以打开所述箭上吹除入口，气体进入所述第一空腔并从所述吹除出口流出至火箭发动机，以对火箭发动机进行吹除；地面吹除系统向所述地面吹除入口通气时，气体作用于所述第二阀芯，使其向远离所述地面吹除入口的方向运动，以打开所述地面吹除入口，气体进入所述第二空腔，从所述第一吹除孔进入所述第一空腔并从所述吹除出口流出至火箭发动机，以对火箭发动机进行吹除。
6.根据本发明的一个实施例，所述第一阀芯在其周向设置有斜切面；所述第一阀芯
的圆周面贴合所述壳体内壁，并可相对其滑动，以对所述第一阀芯进行周向限位；所述第一阀芯的斜切面与所述壳体内壁形成扁形间隙，在所述第一阀芯远离所述箭上吹除入口时供气体在所述第一空腔内流通。
7.根据本发明的一个实施例，所述第一阀芯与所述箭上吹除入口处的所述壳体的相对面设置有第一非金属密封面，用于所述第一阀芯抵住所述箭上吹除入口时两者之间的密封。
8.根据本发明的一个实施例，所述第一阀芯与所述第一吹除孔处的所述套筒相对面设置有第二非金属密封面，用于所述第一阀芯抵住所述第一吹除孔时两者之间的密封。
9.根据本发明的一个实施例，所述阀盖包括沿其内壁周向固定设置的导向套，所述导向套设置有导向孔；所述导向孔用于放置所述第二阀芯，以对其进行周向限位；所述第二阀芯为t型结构；所述导向套沿其周向方向设置有连通所述地面吹除入口和所述第二空腔的第二吹除孔，所述第二阀芯沿所述导向孔轴向方向运动，以打开或关闭所述第二吹除孔。
10.根据本发明的一个实施例，所述导向套沿其周向方向设置有多个所述第二吹除孔。
11.根据本发明的一个实施例，所述套筒包括沿其内壁周向固定设置的底座，所述底座将所述第二空腔沿其轴向方向分割为第一分腔和第二分腔；所述第二弹性元件设置于所述第二阀芯与所述底座之间；所述底座沿其周向方向设置有第三吹除孔，用于连通所述第一分腔和所述第二分腔；地面吹除系统向所述地面吹除入口通气时，所述第二阀芯向所述底座的方向运动，气体由所述地面吹除入口，经过所述第二吹除孔进入所述第二分腔，再经所述第三吹除孔进入所述第一分腔，并经过所述第一吹除孔由所述第一分腔进入所述第一空腔，再从所述吹除出口流出。
12.根据本发明的一个实施例，所述底座沿其周向方向设置有多个所述第三吹除孔；当所述第二阀芯抵住所述底座时，避开所述第三吹除孔。
13.根据本发明的一个实施例，所述第二阀芯与所述导向套配合位置设置有第三非金属密封面，用于两者之间的密封。
14.另一方面，本发明提供一种火箭，包括上述阀结构。
15.根据本发明的用于火箭发动机吹除切换的阀结构，一台阀结构用于氧路吹除，一台阀结构用于燃料路吹除，即只需要将两台本实施例提供的阀结构应用于吹除系统中，即可实现箭上吹除路和地面吹除路吹除系统的切换功能。本技术的阀结构，简化了发动机吹除系统的结构，解决了吹除系统单向阀数量繁多、发动机结构、布局复杂的问题。
16.应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。
附图说明
17.下面的附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明发明的原理。
18.图1是本发明一个实施例的用于火箭发动机吹除切换的阀结构的剖面图；
19.图2是传统火箭发动机推进剂吹除系统示意图；
20.图3是本发明一个实施例的地面吹除时阀结构的剖面图；
21.图4是本发明一个实施例的箭上吹除时阀结构的剖面图；
22.图5是本发明一个实施例的火箭发动机推进剂吹除系统示意图；
23.图6是图1中a-a方向的剖视图；
24.图7是图1中b的放大图。
25.附图标记说明：
26.1-壳体；2-第一阀芯；3-第一弹性元件；4-阀盖；5-套筒；6-导向套；7-第二阀芯；8-第二弹性元件；9-底座；10-第一空腔；11-箭上吹除入口；12-地面吹除入口；13-第一吹除孔；14-吹除出口；15-斜切面；16-第一非金属密封面；17-第二非金属密封面；18-导向孔；19-第二吹除孔；20-第一分腔；21-第二分腔；22-第三吹除孔；23-吹除单向阀。
具体实施方式
27.下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，用于示例性的说明本发明的原理，并不被配置为限定本发明。另外，附图中的机构件不一定是按照比例绘制的。例如，可能对于其他结构件或区域而放大了附图中的一些结构件或区域的尺寸，以帮助对本发明实施例的理解。
28.下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明实施例的具体结构进行限定。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，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。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.此外术语“包括”、“包含”“具有”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结构件或组件不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出或固有的属于结构件、组件上的其他机构件。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
30.诸如“下面”、“下方”、“在
…
下”、“低”、“上方”、“在
…
上”、“高”等的空间关系术语用于使描述方便，以解释一个元件相对于第二元件的定位，表示除了与图中示出的那些取向不同的取向以外，这些术语旨在涵盖器件的不同取向。另外，例如“一个元件在另一个元件上/下”可以表示两个元件直接接触，也可以表示两个元件之间还具有其他元件。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各个元件、区、部分等，并非特别指称次序或顺位的意思，并且不应被当作限制。类似的术语在描述通篇中表示类似的元件。
31.在下文描述本发明的过程中，可能会在一定场景描述中，仅仅使用“火箭”“运载火箭”“航天器”“航天运载器”或“导弹”，这仅仅是为了描述方便，其内涵不限于所用的具体词。通常情况下，本发明的航天运载器既包括用于运载卫星或飞船或其他探测器的运载火箭、航天运载器、火箭，也包括用于运载军事载荷的各类导弹、火箭弹等武器，以及能够将有效载荷送入空中的类似产品。本领域技术人员在解释上述具体用词时，不得根据描述场景所用的具体词而将运载器仅仅限定为运载火箭或导弹之一，从而缩小本发明的保护范围。
32.对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情
况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
33.图1是本发明一个实施例的用于火箭发动机吹除切换的阀结构的剖面图；图2是传统火箭发动机推进剂吹除系统示意图；图3是本发明一个实施例的地面吹除时阀结构的剖面图；图4是本发明一个实施例的箭上吹除时阀结构的剖面图；图5是本发明一个实施例的火箭发动机推进剂吹除系统示意图；图6是图1中a-a方向的剖视图；图7是图1中b的放大图。
34.如图1所示，本发明提供一种用于火箭发动机吹除切换的阀结构，包括：壳体1、套筒5和阀盖4。壳体1与套筒5固定连接形成第一空腔10。壳体1沿其轴向方向设置有连通第一空腔10和箭上吹除系统的箭上吹除入口11，用于将箭上吹除系统的气体导入第一空腔10。第一空腔10内设置有第一阀芯2，第一阀芯2与第一空腔10间隙配合。第一阀芯2与套筒5之间设置有第一弹性元件3，第一阀芯2在第一弹性元件3的弹性作用下抵住箭上吹除入口11，以对箭上吹除入口11形成密封。套筒5与阀盖4固定连接形成第二空腔，阀盖4设置有连通第二空腔和地面吹除系统的地面吹除入口12，用于将地面吹除系统的气体导入第二空腔。套筒5设置有连通第一空腔10和第二空腔的第一吹除孔13。第二空腔内设置有第二阀芯7，第二阀芯7与第二空腔间隙配合，第二阀芯7与套筒5之间设置有第二弹性元件8，第二阀芯7在第二弹性元件8的弹性作用下抵住地面吹除入口12，以对地面吹除入口12形成密封。壳体1还设置有连通第一空腔10和火箭发动机的吹除出口14，用于将第一空腔10内气体导出至火箭发动机。箭上吹除系统向箭上吹除入口11通气时，气体作用于第一阀芯2，使其向远离箭上吹除入口11的方向运动，以打开箭上吹除入口11，气体进入第一空腔10并从吹除出口14流出至火箭发动机，以对火箭发动机进行吹除。地面吹除系统向地面吹除入口12通气时，气体作用于第二阀芯7，使其向远离地面吹除入口12的方向运动，以打开地面吹除入口12，气体进入第二空腔，从第一吹除孔13进入第一空腔10并从吹除出口14流出至火箭发动机，以对火箭发动机进行吹除。
35.具体地，通常航天运载器发射前由地面吹除系统提供气源，对氧化剂管路和燃料管路进行地面吹除工作，待火箭临发射前再由地面吹除切换为箭上气瓶对发动机进行箭上吹除。如图2所示，火箭发动机推进剂吹除系统(包括地面吹除系统和箭上吹除系统)通常需要四台吹除单向阀23作为控制元件，来完成地面-箭体吹除的切换。单向阀数量繁多，造成火箭结构、元器件布局等更加复杂。
36.在本实施例中，阀结构装配完成后，壳体与套筒配合构成箭上吹除路，套筒与阀盖配合构成地面吹除路。第一弹性元件两端分别抵在第一阀芯和套筒相对的端面。初始状态下(如图1所示)，第一阀芯在第一弹性元件的弹性作用下抵住壳体的箭上吹除入口，箭上吹除入口处于关闭状态。即箭上吹除入口与吹除出口关闭，彼此不连通。同时，第二阀芯在第二弹性元件的弹性作用下抵住阀盖的地面吹除入口，地面吹除入口处于关闭状态。即地面吹除入口与吹除出口关闭，彼此不连通。如图3所示，地面吹除系统向地面吹除入口提供气源时，地面吹除气产生的介质力克服第二弹性元件的弹性作用力，使第二阀芯脱离阀盖向远离地面吹除入口的方向运动，地面吹除入口打开，并与吹除出口相连通。此时，地面吹除气经地面吹除入口进入第二空腔，并经第一吹除孔进入第一空腔，最后从吹除出口流出至火箭发动机系统，进行地面吹除工作。临近航天运载器起飞时，地面吹除系统气源关闭，并与航天运载器断开，转为箭上吹除工作(如图4所示)，开始由箭上吹除系统向箭上吹除入口
提供气源。此时，第二阀芯在第二弹性元件的弹性作用力下复位并压紧在地面吹除入口，即地面吹除入口关闭。箭上吹除气产生的介质力克服第一弹性元件的弹性作用力，使第一阀芯脱离壳体向远离箭上吹除入口的方向运动，箭上吹除入口打开，并与吹除出口相连通。此时，箭上吹除其经箭上吹除入口进入第一空腔，并从吹除出口流出至火箭发动机系统，进行箭上吹除工作。航天运载器在飞行过程中，箭上吹除系统气源关闭，第一弹性元件推动第一阀芯复位并提供第一阀芯与壳体之间的密封力，使第一阀芯压紧箭上吹除入口，使其处于关闭状态。同时，第二阀芯在第二弹性元件的弹性作用力下，压紧地面吹除入口，使其处于关闭状态。由于阀结构的箭上吹除路和地面吹除路均为单向阀结构，即使吹除出口下游的低温高压推进剂介质经吹除出口反流向第一空腔和/或第二空腔，低温推进剂也不回流至吹除路的上游(即阀结构的上游)，因此不会对吹除路的上游产生影响。
37.本实施例提供的阀结构为常闭式组合结构，其结构简单，工作可靠。如图5所示，一台阀结构用于氧路吹除，一台阀结构用于燃料路吹除，即只需要将两台本实施例提供的阀结构应用于吹除系统中，即可实现箭上吹除路和地面吹除路吹除系统的切换功能，简化了发动机吹除系统的结构，从而简化了发动机系统的结构。
38.根据本发明的一个实施例，吹除出口14可以设置于壳体的周向侧壁。
39.进一步地，吹除出口14可以沿壳体周向侧壁的径向方向设置。
40.根据本发明的一个实施例，第一弹性元件和第二弹性元件可以为弹簧结构。第一阀芯在第一空腔内可沿其轴向方向往复运动，以打开或关闭箭上吹除入口。第二阀芯在第二空腔内可沿其轴向方向往复运动，以打开或关闭地面吹除入口。
41.如图6所示，根据本发明的一个实施例，第一阀芯2在其周向设置有斜切面15。第一阀芯2的圆周面贴合壳体1内壁，并可相对其滑动，以对第一阀芯2进行周向限位。第一阀芯2的斜切面15与壳体1内壁形成扁形间隙，在第一阀芯2远离箭上吹除入口11时供气体在第一空腔10内流通。
42.在本实施例中，第一阀芯的外圆在其周向可设置由多个斜切面，斜切面与壳体内壁形成扁形空隙结构，能够使箭上吹除气经箭上吹除入口，沿扁形空隙结构通道在第一空腔内流通，并流至吹除出口。
43.如图1所示，根据本发明的一个实施例，第一阀芯2与箭上吹除入口11处的壳体1的相对面设置有第一非金属密封面16，用于第一阀芯2抵住箭上吹除入口11时两者之间的密封。
44.在本实施例中，相应地，箭上吹除入口周向的壳体内壁(即与第一阀芯相对面)设置有与第一非金属密封面相配合的第一金属密封面，与第一非金属密封面形成第一密封副。
45.根据本发明的一个实施例，第一阀芯2与第一吹除孔13处的套筒5相对面设置有第二非金属密封面17，用于第一阀芯2抵住第一吹除孔13时两者之间的密封。
46.在本实施例中，相应地，第一吹除孔入口周向的套筒在与第一阀芯相对的面设置有与第二非金属密封面相配合的第二金属密封面，与第二非金属密封面形成第二密封副。第一阀芯与第一非金属密封面、第二非金属密封面的连接关系可以为镶嵌的形式，本发明不对其进行具体的限制。
47.根据本发明的一个实施例，阀盖4包括沿其内壁周向固定设置的导向套6，导向套6
设置有导向孔18。导向孔18用于放置第二阀芯7，以对其进行周向限位。第二阀芯7为t型结构。导向套6沿其周向方向设置有连通地面吹除入口12和第二空腔的第二吹除孔19，第二阀芯7沿导向孔18轴向方向运动，以打开或关闭第二吹除孔19。
48.在本实施例中，导向套固定设置于第二空腔中。导向孔可以为孔状通道，第二阀芯t型结构的长杆部分穿过导向孔，能够实现第二阀芯长杆部分在沿导向孔轴向的方向往复运动且不偏离阀结构的中心轴线。第二吹除孔可以为可以流通吹除介质(即地面吹除气)的孔状通道。
49.根据本发明的一个实施例，导向套6沿其周向方向设置有多个第二吹除孔19。
50.如图7所示，根据本发明的一个实施例，套筒5包括沿其内壁周向固定设置的底座9，底座9将第二空腔沿其轴向方向分割为第一分腔20和第二分腔21。第二弹性元件8设置于第二阀芯7与底座9之间。底座9沿其周向方向设置有第三吹除孔22，用于连通第一分腔20和第二分腔21。地面吹除系统向地面吹除入口12通气时，第二阀芯7向底座9的方向运动，气体由地面吹除入口12，经过第二吹除孔19进入第二分腔21，再经第三吹除孔22进入第一分腔20，并经过第一吹除孔13由第一分腔20进入第一空腔10，再从吹除出口14流出。
51.在本实施例中，阀结构装配完成后，套筒与阀盖形成的第二空腔内组件构成地面吹除路的单向阀结构，包括导向套、第二阀芯、第二弹性元件和底座。此时第二弹性元件两端分别抵在底座和第二阀芯相对的端面，第二阀芯在第二弹性元件的弹性作用力下抵住导向套，将第二吹除孔关闭，即地面吹除路处于关闭状态。地面吹除系统向地面吹除入口通气时，第二阀芯向底座的方向(即远离导向套的方向)运动，第二吹除孔打开，并与第三吹除孔相连通，即地面吹除路的单向阀结构处于打开状态。
52.根据本发明的一个实施例，底座9沿其周向方向设置有多个第三吹除孔22。当第二阀芯7抵住底座时，避开第三吹除孔22。
53.在本实施例中，底座固定设置于第二空腔中。第三吹除孔可以为用于流通吹除介质(即地面吹除气)的孔状通道。
54.根据本发明的一个实施例，第二阀芯7与导向套6配合位置设置有第三非金属密封面，用于两者之间的密封。
55.在本实施例中，相应地，导向套与第二阀芯的相对面设置有与第三非金属密封面相配合的第三金属密封面，与第三非金属密封面形成第三密封副，能够实现地面吹除入口与吹除出口之间的通断功能。地面吹除系统向地面吹除入口通气时，第二阀芯脱离导向套的第三金属密封面向底座的方向(即远离导向套的方向)运动，第二吹除孔打开，并与第三吹除孔相连通。地面吹除气体经地面吹除入口、第二吹除孔、第三吹除孔和第一吹除孔，最后经吹除出口流出至火箭发动机系统。如图3所示，地面吹除系统向地面吹除入口通气时，第二阀芯可以左移直至与底座的配合端面相贴合，也可以与其保持一定的距离。
56.临近火箭起飞时，地面吹除路与地面吹除系统断开，第二弹性元件推动第二阀芯复位并提供第二阀芯与导向套之间密封力，使第二阀芯压紧导向套的第三金属密封面。此时，地面吹除路的单向阀结构关闭，阀结构切换为箭上吹除模式，由箭上吹除系统向箭上吹除入口提供气源。箭上吹除气产生的介质力克服第一弹性元件的弹性作用力，使第一阀芯脱离壳体的第一金属密封面右移，箭上吹除入口打开。如图4所示，箭上吹除系统向箭上吹除入口通气时，第一阀芯可以右移直至与套筒的配合端面(即第二金属密封面)相贴合，也
可以与其保持一定的距离。当第一阀芯与套筒的第二金属密封面相贴合时，第一阀芯右端面设置的第二非金属密封面与套筒形成密封。
57.另一方面，本发明提供一种火箭，包括上述的阀结构。
58.本发明的上述实施例可以彼此组合，且具有相应的技术效果。
59.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。