一种高比功率推进装置

1.本发明属于固体发动机领域，特别是一种高比功率推进装置。


背景技术：

2.我国战术导弹固体发动机工作压强一般低于22mpa，稳定工作阶段压力更低。国外目前战术导弹发动机工作压强在7～30mpa之间。高压强发动机技术发展主要存在以下3个方面的问题：
①
固体推进剂适应高压工作能力不足，压强越高燃温越高，燃烧动态压力稳定性问题越严重；
②
喷管喉衬的抗烧蚀和抗冲击能力不足，高压工作会导致喷管喉衬结构破坏和喉衬烧蚀严重；
③
密封问题亟待解决，现有的密封材料和密封结构形式难以满足30mpa以上稳定工作。目前，这几方面研究进展缓慢。
3.现有的发动机装置如图4所示，包括燃烧室1，设置在燃烧室1内的推进剂5，设置推进剂5两端的前支撑件3和挡药板4，设置在燃烧室1两端的前封头2和喷管，喷管分为喷管前段6和喷管后段7，现有发动机装置的装药为推进剂，高压工作能力不足，压强越高燃温越高，侵蚀燃烧严重，使得燃烧动态压力稳定性问题越严重，所以难以建立高的稳定的平衡压强；且现有发动机以单喷管为主，喷管有收缩段、喉部、扩张段，通常占用空间较大。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种高比功率推力装置，以实现发动机在较小体积质量的情况下，提供大推力。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：
6.一种高比功率推进装置，包括传扩爆装置、弹簧钢片、点火药室、燃烧室、喷管、主装药、点火药；
7.所述传扩爆装置用于点燃点火药室内的点火药；
8.所述点火药室设置在燃烧室后端，且二者之间设有药室盖；
9.所述主装药设置在燃烧室内，喷管设置在燃烧室前端，且喷管与主装药之间设有弹簧钢片；
10.所述主装药采用双芳-3火药；
11.所述喷管为多喷管结构，其没有收敛段，通过直通段直接连接扩张段。
12.本发明与现有技术相比，其显著优点是：
13.(1)每个小喷管均无收缩段，通过去掉收缩段，使得整个喷管结构长度变短、节省空间与减小消极质量，能够实现提高发动机比功率的目的；(2)通过37小喷管与弹簧钢片的配合使用，使弹簧钢片发生纯剪切破环，能够实现建立准确的高的平衡压强；(3)通过使用双芳-3，能够燃烧稳定，使得燃烧室内能稳定在设计的平衡压强。
附图说明
14.图1为推力装置整体结构示意图。
15.图2为喷管结构示意图。
16.图3为图2中a-a剖视图。
17.图4为现有发动机结构示意图。
具体实施方式
18.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
19.结合图1，本实施例的一种高比功率推进装置，包括传扩爆装置4、弹簧钢片6、点火药室3、燃烧室1、喷管7、药室盖2、紧盖5、主装药、点火药；
20.所述点火药室3、喷管7分别固定在燃烧室1的两端，所述传扩爆装置4通过紧盖5固定在点火药室3上，用于点燃点火药室3内的点火药，所述点火药室3设置在燃烧室1后端，且二者之间设有药室盖2；所述主装药设置在燃烧室1内，喷管7设置在燃烧室1前端，且喷管7与主装药之间设有弹簧钢片6。
21.所述点火药用于提供一定的初始热量和点火压强，以便点燃主装药使发动机顺利启动。如图1，点火药室用30cr钢，重10.642kg，长23mm，直径50mm。
22.所述传扩爆装置4的作用是点燃点火药。通过在点火药室3下端开孔，将传爆装置4引入上端点火室2内，再通过紧盖5将传爆装置4固定。
23.所述燃烧室1主要起承载作用，由壳体与绝热层组成。燃烧室1为火药提供燃烧环境，需满足装药结构和强度要求。燃烧室1用30cr钢，重32.031kg，外径100mm,长515mm。燃烧室1后端与点火药室3通过螺纹连接，并在之间放置有药室盖2；出口通过螺纹与喷管7结构连接，并在中间放置有弹簧钢片6。当燃烧室1的燃气达到一定压力时，冲破弹簧钢片6，进入喷管7。
24.将药室盖2放置于燃烧室1底端凸台处，然后再将点火药室3与燃烧室1通过螺纹连接，并与药室盖2压紧。药室盖2为多孔结构，一方面使燃气均匀流入燃烧室，防止点火不均匀，另一方面，防止固体药粒进入燃烧室1。药室盖2用30cr钢，重0.127kg。
25.所述弹簧钢片6作用是建立燃烧室1初始压强，当达到破膜压力后，燃气通过喷管7流出。本发明通过弹簧钢片6的厚度来确定的破膜压力。弹簧钢片6位于燃烧室1顶端凸台，与喷管7结构固定。依据纯剪切破坏公式及所需平衡压强可得弹簧钢片厚度：其中t为弹簧钢片厚度，p为平衡压强，d为喷喉面积，τ为剪切强度。而当喷管截面积过大时，在燃气压力作用下，弹簧钢片不再发生纯剪切破环，而是由于弯曲变形导致弹簧钢片由拉剪载荷共同作用下发生破坏，该情况将导致燃气冲破弹簧钢片时燃烧室内实际压强低于理论设计的平衡压强。而本发明使用的多喷管结构就恰好避免了这个问题。现有发动机由于需要建立的压强低，通常不需要弹簧钢片建立压强，或者在发动机喉部，此处为截面积最小的地方，放置弹簧钢片，以期达到瞬时的剪切破坏。
26.喷管7结构如图2、图3，与现有的单喷管结构的区别是其不设置收敛段，由多个喷管组成，每个喷管仅由直通段7-2和设置在直通段7-2尾部的扩张段7-1组成。喷管7是燃烧室1高温高压燃气的出口，其作用是控制燃气的流量以达到一个稳定的平衡压强；也使燃气膨胀加速，将燃气热能转化为动能，高速喷出后，产生反作用推力。喷管7结构由37个小喷管构成，小喷管依同心圆形阵列分布于圆柱形顶盖上，由内到外每层小喷管个数分别为1、6、
12和18；每个喷管完全相同。由此喷管与圆柱顶盖连为一体构成喷管结构，通过螺纹与燃烧室1连接。喷管的喉部直径为6mm,喷管出口直径为9mm，扩张段长度为15mm,其扩张比为2.25。材料为30cr钢，重1.108kg，采用多喷管可以减小整个喷管结构的质量与体积。若采用等效单喷管，即相同喉部面积与喷管出口面积，在相同扩张比与扩张角度下，扩张段长度需要91mm，使得喷管结构的体积增大。
27.本发明采用40/1双芳-3作为主装药，双芳-3一般作为炮药使用，不在发动机里使用。这里采用双芳-3是因为，一般的推进剂高压工作能力不足，压强越高燃温越高，侵蚀燃烧严重，使得燃烧动态压力稳定性问题越严重，所以难以建立高的稳定的平衡压强，无法达到技术指标。采用2号小粒黑作为点火药。通过实验可得到在1920g的主装药，20g的点火药时，此时的装填密度为0.6kg/m3,由此可得到最大推力为130mpa，工作时间100ms。


技术特征：
1.一种高比功率推进装置，包括传扩爆装置、弹簧钢片、点火药室、燃烧室、喷管、主装药、点火药；所述传扩爆装置用于点燃点火药室内的点火药；所述点火药室设置在燃烧室后端，且二者之间设有药室盖；所述主装药设置在燃烧室内，喷管设置在燃烧室前端，且喷管与主装药之间设有弹簧钢片；其特征在于，所述主装药采用双芳-3火药；所述喷管为多喷管结构，其没有收敛段，通过直通段直接连接扩张段。2.根据权利要求1所述的高比功率推进装置，其特征在于，所述点火药采用黑火药。3.根据权利要求2所述的高比功率推进装置，其特征在于，所述黑火药为2号小粒黑。4.根据权利要求1所述的高比功率推进装置，其特征在于，所述点火药室用30cr钢。5.根据权利要求1所述的高比功率推进装置，其特征在于，所述药室盖用30cr钢。6.根据权利要求1所述的高比功率推进装置，其特征在于，所述燃烧室内设有绝热层。7.根据权利要求1所述的高比功率推进装置，其特征在于，多喷管结构采用同心圆形阵列分布。

技术总结
本发明公开了一种高比功率推进装置，包括传扩爆装置、弹簧钢片、点火药室、燃烧室、喷管、主装药、点火药；所述传扩爆装置用于点燃点火药室内的点火药；所述点火药室设置在燃烧室后端，且二者之间设有药室盖；所述主装药设置在燃烧室内，喷管设置在燃烧室前端，且喷管与主装药之间设有弹簧钢片；所述主装药采用双芳-3火药；所述喷管为多喷管结构，其没有收敛段，通过直通段直接连接扩张段。实现发动机在较小体积质量的情况下，提供了大推力。提供了大推力。提供了大推力。


技术研发人员：王浩 何丽芩
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2022.12.06
技术公布日：2023/6/26