一种固体推进剂药柱结构及其制备方法与流程

1.本发明属于固体推进剂装药技术领域，具体涉及一种固体推进剂药柱结构及其制备方法。


背景技术：

2.弹射是指“利用弹力，将物体从斜轨、发射器或其他装置放出或弹出”，弹射技术在军事领域中有较多应用，被弹射物体包括导弹、舰载飞机、无人机、航空救生座椅、火箭等。弹射基本原理是，以最常用的燃气式弹射为例，是在发射筒内导弹后方空间或其他特制的筒形装置内，由燃气膨胀，作用于承压表面形成弹射力，直接或间接传递给导弹后，推动导弹沿着定向器向前运动，完成发射过程。从能量的转换角度看，弹射过程实质上是火药(推进剂药柱)的化学能在极短的时间(几十毫秒或几百毫秒)内经过燃烧，转变为燃烧产物的热能，然后通过燃烧产物膨胀做功，又转变为导弹、燃气以及发射筒的运动动能的过程。燃气发生器就是将推进剂药柱化学能转变为热能的装置。
3.燃气发生器一般由点火器、燃烧室、推进剂药柱和喷管组成，其通过推进剂药柱燃烧，在燃烧室内产生高温高压燃气，然后通过喷管将燃气排放到指定空腔，比如导弹的发射筒底部内腔，然后燃气在发射筒内做功，将导弹推出发射筒。
4.目前燃气发生器装药结构有很多，如星形、翼柱形、管槽形、管形、车轮形、球形等多种药形。导弹利用燃气发生器发射时，往往需要控制发射后座力和导弹出筒速度，而控制后座力最主要的因素就是控制发射筒内的气体压强，而决定这个气体压强最主要的因素就是燃气发生器燃烧室的内压，燃气发生器燃烧室内压由推进剂药柱燃烧产生，可以用公式(1)计算，由公式(1)可知，燃烧室内压主要由推进剂药柱燃面决定，因此也就是说药柱燃烧时燃面基本决定了导弹发射后座力的大小。
[0005][0006]
其中，pc为燃烧室压强；
[0007]
ρ
p
、a、c*、n都是表征药柱推进剂性能的参数；
[0008]ab
为药柱燃烧面积；
[0009]at
为喷管喉部面积。
[0010]
要控制导弹发射时，发射后座力不超过要求值，由于发射筒内自由容积随导弹向前运动不断增大，且弹射时间极短，都是毫秒级的，根据发动机内弹道计算理论公式，必须设计一种小肉厚燃面高翻倍的装药结构，而目前的装药结构均难以满足要求，常用药形燃面翻倍最大的是球形药形，其燃面与球半径平方成正比。假设在药柱肉厚只有3mm的情况下，初始球半径为3mm，最大的燃面翻倍率仅为4倍，且在工艺成型上和产品安装上都非常困难，而导弹发射时，往往需要燃面翻倍率达到5倍以上。因此，常规的药形设计方法难以满足要求。


技术实现要素：

[0011]
本发明的目的是提供一种固体推进剂药柱结构，以解决现有装药药形不能在小药柱肉厚的情况下实现药柱燃面高翻倍的问题。
[0012]
为此，本发明采用如下技术方案：
[0013]
一种固体推进剂药柱结构，包括侧面限燃层、端面限燃层和推进剂药柱，所述推进剂药柱为圆柱结构，所述侧面限燃层和所述端面限燃层分别固定于所述推进剂药柱的侧面和端面，所述端面限燃层上开设有若干个圆孔。
[0014]
进一步的，所述端面限燃层上圆孔半径为r，所述推进剂药柱的长度为2e，，满足关系式：其中，e为推进剂药柱肉厚。
[0015]
进一步的，所述端面限燃层上圆孔半径r为3mm，所述推进剂药柱肉厚e为5mm。
[0016]
进一步的，所述端面限燃层上任意两个圆孔的圆心最短距离不小于2(r+e)。
[0017]
进一步的，所述端面限燃层上最外侧圆孔的圆心到侧面限燃层内侧壁的最短距离不小于(r+e)。
[0018]
进一步的，所述端面限燃层两个端面上的圆孔对称布置。
[0019]
进一步的，所述侧面限燃层和端面限燃层采用隔热、不可燃烧的非金属材料制作而成。
[0020]
进一步的，所述推进剂药柱包括由燃烧剂和氧化剂混合组成的含能非金属材料。
[0021]
另外，本发明还提供了上述固体推进剂药柱结构的制备方法，包括如下步骤：
[0022]
1)制作空心圆柱形的侧面限燃层，以及制作端面限燃层，并在端面限燃层上开设圆孔；
[0023]
2)将推进剂药柱的推进剂原料浇筑到侧面限燃层内，待推进剂原料固化成药柱后，按设计长度截短成圆饼形；
[0024]
3)将端面限燃层与步骤2)制得的圆饼形的推进剂药柱进行粘接即可。
[0025]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0026]
(1)本发明提供的这种固体推进剂药柱结构通过设计在端面限燃层开设多个圆孔，通过调节圆孔半径与推进剂药柱肉厚的关系，可使得燃面翻倍率能达到10倍以上，有效解决了现有装药药形不能在小药柱肉厚的情况下实现药柱燃面高翻倍的问题。
[0027]
(2)本发明提供的这种固体推进剂药柱结构的制备方法简单，有效克服了现有其它药形需要在推进剂药柱上开孔或翼等形状，需要成形模具，成型工艺比较复杂，质量也难以保证的问题。
[0028]
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
[0029]
图1是本发明固体推进剂药柱结构的端面示意图；
[0030]
图2是图1中沿a-a方向的固体推进剂药柱结构剖面图。
[0031]
附图标记说明：1、侧面限燃层；2、端面限燃层；3、圆孔；4、推进剂药柱。
具体实施方式
[0032]
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、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0033]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。
[0034]
在本发明的描述中，需要说明的是，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，还可以是抵触连接或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0035]
如图1和图2所示，本实施例提供了一种固体推进剂药柱结构，包括侧面限燃层1、端面限燃层2和推进剂药柱4，所述推进剂药柱4为圆柱结构，所述侧面限燃层1和所述端面限燃层2分别固定于所述推进剂药柱4的侧面和端面，所述端面限燃层2上开设有若干个圆孔3，通过端面限燃层2上开设的圆孔3，使得推进剂药柱4裸露，所有裸露的推进剂药柱4面积即为初始燃面。
[0036]
其中，所述侧面限燃层1和端面限燃层2采用隔热性能良好、不可燃烧的非金属材料制作而成；所述推进剂药柱4采用由燃烧剂和氧化剂等多种物质混合组成的含能非金属材料，可燃烧产生大量燃气，推进剂药柱4的原料可采用现有药柱的推进剂成分，其具体成分此处不再赘述。
[0037]
根据导弹出筒后座力和速度等要求，结合推进剂燃速等特性，设计满足要求的变化燃面，初始燃面为端面限燃层2上所有圆孔3的面积之和，随着燃气发生器点火器被导弹电流点燃，从而点燃推进剂药柱4，药柱燃面按平行层燃烧理论向前不断推移，并形成新燃面和对应的内压，直到推进剂药柱4全部烧尽。在本实施例中，所述侧面限燃层1两端的端面限燃层2上均开设圆孔3，以增加燃烧面积，保证燃烧总面积满足要求，并且两端的端面限燃层2上圆孔3对称布置，同时设定所述端面限燃层2上圆孔3半径均为r，所述推进剂药柱的长度为2e，e为推进剂药柱4肉厚，在此设计的固体推进剂药柱结构的几何图形结构基础上，计算燃面最大翻倍率其中，r为端面限燃层上圆孔半径，e为推进剂药柱肉厚，s0为初始燃面的面积，s1为药柱燃面按平行层燃烧理论形成的最大推进燃面的面积。
[0038]
对于导弹发射时，需要燃面翻倍率达到5倍以上，采用本实施例的固体推进剂药柱结构，则满足关系式：即可。对于小质量导弹弹射而言，由于燃气发生器工作时间极短为毫秒级且药量较少，仅10g左右，因而推进剂药柱4肉厚e一般为2mm～5mm；由此，通过设计合适的圆孔3半径和推进剂药柱4肉厚，即可实现小肉厚、燃面高翻倍的药形来满足工程需要。例如：设计端面限燃层2上圆孔3半径r＝3mm，推进剂药柱4肉厚e＝
5mm时，计算燃面最大翻倍率n可达到16倍。
[0039]
优化上述技术方案，由于单个圆孔的燃烧面积较小，无法满足实际需要，因而在端面限燃层2开设多个圆孔3以增加燃烧面积，对于端面限燃层2上多个圆孔3的分布，设计所述端面限燃层2上任意两个圆孔3的圆心最短距离不小于2(r+e)，以保证任何两个圆孔3的药柱在燃烧过程中，其燃面不会提前发生交错，从而保证需要的燃面面积和燃面翻倍率。并且设计所述端面限燃层2上最外侧圆孔3的圆心到侧面限燃层1内侧壁的最短距离不小于(r+e)，以保证最外侧圆孔3的药柱在燃烧过程中，其燃面不会提前烧到侧面限燃层1(侧面限燃层不可燃烧)，燃面不会提前缩小，从而保证需要的燃面面积和燃面翻倍率。
[0040]
制造本实施例的固体推进剂药柱结构时，先制作空心圆柱形的侧面限燃层1，然后将推进剂药柱4的推进剂原料浇筑到该空心圆柱内，待推进剂原料固化成药柱后，按设计长度截短成圆饼形；在端面限燃层2上开设圆孔3，再将该端面限燃层2与圆饼形的推进剂药柱4进行粘接，这样既可成形，成型工艺简单。而现有的其它药形需要在推进剂药柱上开孔或翼等形状，需要成形模具，其成型工艺复杂，质量也难以保证。
[0041]
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种固体推进剂药柱结构，其特征在于：包括侧面限燃层、端面限燃层和推进剂药柱，所述推进剂药柱为圆柱结构，所述侧面限燃层和所述端面限燃层分别固定于所述推进剂药柱的侧面和端面，所述端面限燃层上开设有若干个圆孔。2.如权利要求1所述的固体推进剂药柱结构，其特征在于：所述端面限燃层上圆孔半径为r，所述推进剂药柱的长度为2e，满足关系式：其中，e为推进剂药柱肉厚。3.如权利要求2所述的固体推进剂药柱结构，其特征在于：所述端面限燃层上圆孔半径r为3mm，所述推进剂药柱肉厚e为5mm。4.如权利要求2所述的固体推进剂药柱结构，其特征在于：所述端面限燃层上任意两个圆孔的圆心最短距离不小于2(r+e)。5.如权利要求2所述的固体推进剂药柱结构，其特征在于：所述端面限燃层上最外侧圆孔的圆心到侧面限燃层内侧壁的最短距离不小于(r+e)。6.如权利要求1所述的固体推进剂药柱结构，其特征在于：所述端面限燃层两个端面上的圆孔对称布置。7.如权利要求1所述的固体推进剂药柱结构，其特征在于：所述侧面限燃层和端面限燃层采用隔热、不可燃烧的非金属材料制作而成。8.如权利要求1所述的固体推进剂药柱结构，其特征在于：所述推进剂药柱包括由燃烧剂和氧化剂混合组成的含能非金属材料。9.如权利要求1～8任一项所述固体推进剂药柱结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)制作空心圆柱形的侧面限燃层，以及制作端面限燃层，并在端面限燃层上开设圆孔；2)将推进剂药柱的推进剂原料浇筑到侧面限燃层内，待推进剂原料固化成药柱后，按设计长度截短成圆饼形；3)将端面限燃层与步骤2)制得的圆饼形的推进剂药柱进行粘接即可。

技术总结
本发明提供了一种固体推进剂药柱结构，包括侧面限燃层、端面限燃层和推进剂药柱，所述推进剂药柱为圆柱结构，所述侧面限燃层和所述端面限燃层分别固定于所述推进剂药柱的侧面和端面，所述端面限燃层上开设有若干个圆孔。该发明设计在端面限燃层开设多个圆孔，通过调节圆孔半径与推进剂药柱肉厚的关系，可使得燃面翻倍率能达到10倍以上，有效解决了现有装药药形不能在小药柱肉厚的情况下实现药柱燃面高翻倍的问题。高翻倍的问题。高翻倍的问题。


技术研发人员：黄立 杨劲松 韩文超 苏伟 易爱清 方恒
受保护的技术使用者：武汉高德红外股份有限公司
技术研发日：2022.09.08
技术公布日：2023/5/23