一种可变向尾喷管及其安装方法和使用方法

1.本发明属于空间大型机构快速展开驱动领域，特别是涉及一种可变向尾喷管及其安装方法和使用方法。


背景技术：

2.目前常见的矢量尾喷管大多应用于大型运载火箭或航天器的变轨发动机上，其变向方式以电机驱动变向为主，此外还有通过桁架机构进行变向等方法。
3.但对于空间可展机构的展开而言，要求其驱动器尺寸和质量较小，且为便于对空间可展机构进行在轨操控，需要其驱动技术具有可变向功能。适用于空间可展机构的快速展开任务的空间推进器应该具备体积小、质量小、结构简单、可变向等特点。
4.需要在尺度小、质量小的前提下，实现驱动器推力方向连续可变，进而实现空间可展机构的快速高动态响应与在轨操控，而目前的矢量尾喷管无法满足此种技术需求。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明旨在提出一种可变向尾喷管及其安装方法和使用方法,以解决矢量尾喷管体积大、质量大且结构复杂不适用于空间可展机构变向的问题。
6.为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种可变向尾喷管，包括驱动器壳体、绝热阻燃组件、固体推进剂、喷嘴支撑组件、驱动杆、尾喷管扩张段、柔性连接片和尾喷管收缩段，所述驱动器壳体为中空壳体并设有进气端和出气端，所述驱动器壳体内靠近进气端一侧设置绝热阻燃组件，所述绝热阻燃组件内设置固体推进剂，所述驱动器壳体的出气端与喷嘴支撑组件相连，所述喷嘴支撑组件内活动连接尾喷管收缩段，所述尾喷管收缩段的进气端与驱动器壳体连通，所述尾喷管收缩段的出气端设置尾喷管扩张段，所述驱动杆设置有多个，多个所述驱动杆圆周均布设置在尾喷管扩张段外侧，每个所述驱动杆的一端与驱动器壳体外壁相铰接，每个所述驱动杆的另一端与尾喷管扩张段外壁相铰接，所述柔性连接片为回转体，所述柔性连接片的两端分别与喷嘴支撑组件外壁和尾喷管扩张段外壁相连，每个所述驱动杆均外接电源，所述驱动杆为形状记忆合金。
7.更进一步的，所述绝热阻燃组件包括第一绝热阻燃层和第二绝热阻燃层，所述第一绝热阻燃层和第二绝热阻燃层均为管状结构，所述第一绝热阻燃层外壁与驱动器壳体内壁相连，所述第二绝热阻燃层同轴布置在第一绝热阻燃层内，所述固体推进剂设置在第一绝热阻燃层和第二绝热阻燃层之间。
8.更进一步的，所述驱动器壳体内靠近出气端一侧设置冷却过滤层，所述冷却过滤层位于绝热阻燃组件与喷嘴支撑组件之间。
9.更进一步的，所述喷嘴支撑组件包括喷管后支撑、喷管前支撑和滚珠，所述喷管后支撑与喷管前支撑的进气端内壁相连，喷管前支撑的进气端外壁与驱动器壳体出气端内壁相连，所述滚珠设置有多组，所述喷管后支撑和喷管前支撑内壁共同围合而成容置尾喷管收缩段的腔体，所述尾喷管收缩段通过多组滚珠活动连接在腔体内，所述喷管前支撑出气
端一侧端面与柔性连接片的一端相连。
10.更进一步的，所述尾喷管扩张段外壁靠近尾喷管扩张段出气端一侧设置多个与驱动杆一一对应的前接头，每个所述驱动杆与对应位置的前接头相铰接。
11.更进一步的，所述尾喷管扩张段外壁设置多个后接头，所述柔性连接片通过全部后接头连接在尾喷管扩张段外壁上。
12.更进一步的，全部所述驱动杆与驱动器壳体之间均设有隔热垫，每个所述驱动杆与对应的前接头之间设有隔热垫。
13.更进一步的，所述喷管前支撑内壁设置有凹槽，所述凹槽内设置密封圈。
14.根据本发明的另一个方面，提供一种组装上述一种可变向尾喷管的方法，包括以下步骤：将固体推进剂、第一绝热阻燃层、冷却过滤层和第二绝热阻燃层安装于驱动器壳体内；将滚珠安装于喷管前支撑的滚珠凹槽内，密封圈安装在喷管前支撑的凹槽内，将尾喷管收缩段从左至右推入喷管前支撑内；将喷管后支撑安装至喷管前支撑的进气端，并将喷管前支撑固定在驱动器壳体的出气端处；将尾喷管扩张段安装于尾喷管收缩段的出气端处，分别将前接头与后接头固接于尾喷管扩张段外表面上；将柔性连接片的两端通过螺栓分别固定于喷管前支撑出气端一侧端面和全部后接头外壁面上；将全部驱动杆与驱动器壳体和全部前接头铰接。
15.根据本发明的另一个方面，提供一种使用上述一种可变向尾喷管的方法，包括以下步骤：固体推进剂被点火器点燃，产生大量高温气体，高温气体经冷却过滤层的过滤后依次流经尾喷管收缩段和尾喷管扩张段后高速喷出；当需要改变尾喷管收缩段的喷气方向时，通过协调控制各个驱动杆中的通电电流大小，使得各个驱动杆进行形变来带动喷管收缩段进行摆动。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.1、本可变向尾喷管结构紧凑、尺度小，适合空间可展机构快速展开等多场景应用；
18.2、本可变向尾喷管在较小的质量和体积前提下，能够实现空间驱动器尾喷管的变向功能，进而实现空间大型机构的在轨操控；
19.3、本可变向尾喷管利用记忆合金驱动杆通电变形的方式来改变喷管摆动方向，节省了电机等结构，能够降低喷管的整体质量和体积，并达到改变喷管摆动方向的效果。
附图说明
20.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
21.图1为本发明所述的一种可变向尾喷管的结构示意图。
22.驱动器壳体1；固体推进剂2；第一绝热阻燃层3；冷却过滤层4；喷管后支撑5；喷管前支撑6；滚珠7；驱动杆8；尾喷管扩张段9；前接头10；后接头11；柔性连接片12；密封圈13；尾喷管收缩段14；第二绝热阻燃层15。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相
互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
24.参见附图说明本实施方式，根据本发明的一个方面，提供一种可变向尾喷管，包括驱动器壳体1、绝热阻燃组件、固体推进剂2、喷嘴支撑组件、驱动杆8、尾喷管扩张段9、柔性连接片12和尾喷管收缩段14，所述驱动器壳体1为中空壳体并设有进气端和出气端，所述驱动器壳体1内靠近进气端一侧设置绝热阻燃组件，所述绝热阻燃组件内设置固体推进剂2，所述驱动器壳体1的出气端与喷嘴支撑组件相连，所述喷嘴支撑组件内活动连接尾喷管收缩段14，所述尾喷管收缩段14的进气端与驱动器壳体1连通，所述尾喷管收缩段14的出气端设置尾喷管扩张段9，所述驱动杆8设置有多个，多个所述驱动杆8圆周均布设置在尾喷管扩张段9外侧，每个所述驱动杆8的一端与驱动器壳体1外壁相铰接，每个所述驱动杆8的另一端与尾喷管扩张段9外壁相铰接，所述柔性连接片12为回转体，所述柔性连接片12的两端分别与喷嘴支撑组件外壁和尾喷管扩张段9外壁相连，每个所述驱动杆8均外接电源，所述驱动杆8为形状记忆合金。通过外接电源对驱动杆8进行通电，根据实际的喷射方向需要对每个驱动杆8进行分别的通电控制，从而通过各个驱动杆8的变形控制来完成对尾喷管收缩段14的方向控制，柔性连接片12能够起到柔性限位的作用，使尾喷管收缩段14的运动为摆动。
25.在本实施例中，所述绝热阻燃组件包括第一绝热阻燃层3和第二绝热阻燃层15，所述第一绝热阻燃层3和第二绝热阻燃层15均为管状结构，所述第一绝热阻燃层3外壁与驱动器壳体1内壁相连，所述第二绝热阻燃层15同轴布置在第一绝热阻燃层3内，所述固体推进剂2设置在第一绝热阻燃层3和第二绝热阻燃层15之间。可变向尾喷管在进行点火时，火焰通过第二绝热阻燃层15进入将固体推进剂2进行点燃，进而产生巨大的推力进入到尾喷管收缩段14内。
26.在本实施例中，所述驱动器壳体1内靠近出气端一侧设置冷却过滤层4，所述冷却过滤层4位于绝热阻燃组件与喷嘴支撑组件之间，固体推进剂2被点燃后经过冷却过滤层4过滤，固体推进剂2能够起到过滤和降温的作用。
27.在本实施例中，所述喷嘴支撑组件包括喷管后支撑5、喷管前支撑6和滚珠7，所述喷管后支撑5与喷管前支撑6的进气端内壁相连，喷管前支撑6的进气端外壁与驱动器壳体1出气端内壁相连，所述滚珠7设置有多组，具体为六组，所述喷管后支撑5和喷管前支撑6内壁共同围合而成容置尾喷管收缩段14的腔体，所述尾喷管收缩段14通过六组滚珠7活动连接在腔体内，所述喷管前支撑6出气端一侧端面与柔性连接片12的一端相连，柔性连接片12可以起到限位的作用，使尾喷管收缩段14的运动限定在摆动范围内，柔性连接片12通过螺栓与对应的部件进行连接。
28.在本实施例中，所述尾喷管扩张段9外壁靠近尾喷管扩张段9出气端一侧设置多个与驱动杆8一一对应的前接头10，每个所述驱动杆8与对应位置的前接头10相铰接。具体的驱动杆8的数量为四个，通过改变对驱动杆8的通电电流的大小，使得记忆合金材料的驱动杆8根据电流的大小发生形变，这样根据使用工况，调节各个驱动杆8的通电电流大小，能够控制尾喷管收缩段14的摆动方向，从而起到调节喷射方向的作用。
29.在本实施例中，所述尾喷管扩张段9外壁设置多个后接头11，所述柔性连接片12通过全部后接头11连接在尾喷管扩张段9外壁上，在后接头11发生坏损时，能够便于进行更换。
30.在本实施例中，全部所述驱动杆8与驱动器壳体1之间均设有隔热垫，每个所述驱
动杆8与对应的前接头10之间设有隔热垫，通过隔热垫的设置，能够防止喷射时产生的巨大热量对驱动杆8造成影响，提高驱动杆8的变形精度的控制。
31.在本实施例中，所述喷管前支撑6内壁设置有凹槽，所述凹槽内设置密封圈13，增强尾喷管收缩段14与内腔之间的密封性。
32.所述的绝热阻燃层3和绝热阻燃层15为耐燃绝热阻隔材料；所述的驱动器壳体1、喷管后支撑5、喷管前支撑6、滚珠7、尾喷管扩张段9、前接头10、后接头11、尾喷管收缩段14材料为金属材料；所述驱动杆8材料为形状记忆合金；所述柔性连接片12材料为耐高温复合材料。以上材料的选材和使用方式均为现有技术，对驱动杆8的通电设备为现有设备，此处均不作过多赘述。
33.根据本发明的另一个方面，提供一种组装上述一种可变向尾喷管的方法，包括以下步骤：将固体推进剂2、第一绝热阻燃层3、冷却过滤层4和第二绝热阻燃层15安装于驱动器壳体1内；将滚珠7安装于喷管前支撑6的滚珠凹槽内，密封圈13安装在喷管前支撑6的凹槽内，将尾喷管收缩段14从左至右推入喷管前支撑6内；将喷管后支撑5安装至喷管前支撑6的进气端，并将喷管前支撑6固定在驱动器壳体1的出气端处；将尾喷管扩张段9安装于尾喷管收缩段14的出气端处，分别将前接头10与后接头11固接于尾喷管扩张段9外表面上；将柔性连接片12的两端通过螺栓分别固定于喷管前支撑6出气端一侧端面和全部后接头11外壁面上；将全部驱动杆8与驱动器壳体1和全部前接头10铰接。
34.根据本发明的另一个方面，提供一种使用上述一种可变向尾喷管的方法，包括以下步骤：通过第二绝热阻燃层15将火焰引入从而使固体推进剂2被点火器点燃，产生大量高温气体，高温气体经冷却过滤层4的过滤后依次流经尾喷管收缩段14和尾喷管扩张段9后高速喷出；当需要改变尾喷管收缩段14的喷气方向时，通过协调控制各个驱动杆8中的通电电流大小，使得各个驱动杆8进行形变来带动喷管收缩段14进行摆动，从而起到控制喷射方向的作用。
35.以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

技术特征：
1.一种可变向尾喷管，其特征在于：包括驱动器壳体(1)、绝热阻燃组件、固体推进剂(2)、喷嘴支撑组件、驱动杆(8)、尾喷管扩张段(9)、柔性连接片(12)和尾喷管收缩段(14)，所述驱动器壳体(1)为中空壳体并设有进气端和出气端，所述驱动器壳体(1)内靠近进气端一侧设置绝热阻燃组件，所述绝热阻燃组件内设置固体推进剂(2)，所述驱动器壳体(1)的出气端与喷嘴支撑组件相连，所述喷嘴支撑组件内活动连接尾喷管收缩段(14)，所述尾喷管收缩段(14)的进气端与驱动器壳体(1)连通，所述尾喷管收缩段(14)的出气端设置尾喷管扩张段(9)，所述驱动杆(8)设置有多个，多个所述驱动杆(8)圆周均布设置在尾喷管扩张段(9)外侧，每个所述驱动杆(8)的一端与驱动器壳体(1)外壁相铰接，每个所述驱动杆(8)的另一端与尾喷管扩张段(9)外壁相铰接，所述柔性连接片(12)为回转体，所述柔性连接片(12)的两端分别与喷嘴支撑组件外壁和尾喷管扩张段(9)外壁相连，每个所述驱动杆(8)均外接电源，所述驱动杆(8)为形状记忆合金。2.根据权利要求1所述的一种可变向尾喷管，其特征在于：所述绝热阻燃组件包括第一绝热阻燃层(3)和第二绝热阻燃层(15)，所述第一绝热阻燃层(3)和第二绝热阻燃层(15)均为管状结构，所述第一绝热阻燃层(3)外壁与驱动器壳体(1)内壁相连，所述第二绝热阻燃层(15)同轴布置在第一绝热阻燃层(3)内，所述固体推进剂(2)设置在第一绝热阻燃层(3)和第二绝热阻燃层(15)之间。3.根据权利要求1或2所述的一种可变向尾喷管，其特征在于：所述驱动器壳体(1)内靠近出气端一侧设置冷却过滤层(4)，所述冷却过滤层(4)位于绝热阻燃组件与喷嘴支撑组件之间。4.根据权利要求3所述的一种可变向尾喷管，其特征在于：所述喷嘴支撑组件包括喷管后支撑(5)、喷管前支撑(6)和滚珠(7)，所述喷管后支撑(5)与喷管前支撑(6)的进气端内壁相连，喷管前支撑(6)的进气端外壁与驱动器壳体(1)出气端内壁相连，所述滚珠(7)设置有多组，所述喷管后支撑(5)和喷管前支撑(6)内壁共同围合而成容置尾喷管收缩段(14)的腔体，所述尾喷管收缩段(14)通过多组滚珠(7)活动连接在腔体内，所述喷管前支撑(6)出气端一侧端面与柔性连接片(12)的一端相连。5.根据权利要求1、2或4所述的一种可变向尾喷管，其特征在于：所述尾喷管扩张段(9)外壁靠近尾喷管扩张段(9)出气端一侧设置多个与驱动杆(8)一一对应的前接头(10)，每个所述驱动杆(8)与对应位置的前接头(10)相铰接。6.根据权利要求5所述的一种可变向尾喷管，其特征在于：所述尾喷管扩张段(9)外壁设置多个后接头(11)，所述柔性连接片(12)通过全部后接头(11)连接在尾喷管扩张段(9)外壁上。7.根据权利要求5所述的一种可变向尾喷管，其特征在于：全部所述驱动杆(8)与驱动器壳体(1)之间均设有隔热垫，每个所述驱动杆(8)与对应的前接头(10)之间设有隔热垫。8.根据权利要求4或6所述的一种可变向尾喷管，其特征在于：所述喷管前支撑(6)内壁设置有凹槽，所述凹槽内设置密封圈(13)。9.一种组装如权利要求1、2、4、6或7中任一项所述的一种可变向尾喷管的方法，其特征在于，包括以下步骤：将固体推进剂(2)、第一绝热阻燃层(3)、冷却过滤层(4)和第二绝热阻燃层(15)安装于驱动器壳体(1)内；将滚珠(7)安装于喷管前支撑(6)的滚珠凹槽内，密封圈(13)安装在喷管前支撑(6)的凹槽内，将尾喷管收缩段(14)从左至右推入喷管前支撑(6)
内；将喷管后支撑(5)安装至喷管前支撑(6)的进气端，并将喷管前支撑(6)固定在驱动器壳体(1)的出气端处；将尾喷管扩张段(9)安装于尾喷管收缩段(14)的出气端处，分别将前接头(10)与后接头(11)固接于尾喷管扩张段(9)外表面上；将柔性连接片(12)的两端通过螺栓分别固定于喷管前支撑(6)出气端一侧端面和全部后接头(11)外壁面上；将全部驱动杆(8)与驱动器壳体(1)和全部前接头(10)铰接。10.一种使用如权利要求1、2、4、6或7中任一项所述的一种可变向尾喷管的方法，其特征在于，包括以下步骤：固体推进剂(2)被点火器点燃，产生大量高温气体，高温气体经冷却过滤层(4)的过滤后依次流经尾喷管收缩段(14)和尾喷管扩张段(9)后高速喷出；当需要改变尾喷管收缩段(14)的喷气方向时，通过协调控制各个驱动杆(8)中的通电电流大小，使得各个驱动杆(8)进行形变来带动喷管收缩段(14)进行摆动。

技术总结
本发明提出了一种可变向尾喷管及其安装方法和使用方法，属于空间大型机构快速展开驱动领域。解决矢量尾喷管体积大、质量大且结构复杂不适用于空间可展机构变向的问题。一种可变向尾喷管，包括驱动器壳体、绝热阻燃组件、固体推进剂、喷嘴支撑组件、驱动杆、尾喷管扩张段、柔性连接片和尾喷管收缩段，驱动器壳体为中空壳体并设有进气端和出气端，喷嘴支撑组件内活动连接尾喷管收缩段，尾喷管收缩段的进气端与驱动器壳体连通，尾喷管收缩段的出气端设置尾喷管扩张段，每个驱动杆的另一端与尾喷管扩张段外壁相铰接，柔性连接片为回转体，每个驱动杆均外接电源，驱动杆为形状记忆合金。它主要用于空间可展机构的驱动。主要用于空间可展机构的驱动。主要用于空间可展机构的驱动。


技术研发人员：刘荣强 刘名利 史创 郭宏伟
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.03.02
技术公布日：2023/6/28