药柱骨架与固液混合发动机

1.本发明涉及固液火箭发动机技术领域，尤其是涉及一种药柱骨架与固液混合发动机。


背景技术：

2.对于典型的固液火箭发动机，通常采用液体(或气体)氧化剂+固体燃料药柱的组合方案，不同的氧化剂与燃料的组合使得固液发动机具有不同的工作特性及适用领域。常用的氧化剂有液氧(或气氧)、n2o、h2o2等，氧化剂通常为挤压式供应；常用的固体燃料药柱有聚氨酯(pu)、聚乙烯(pe)等。
3.石蜡基优点来源于低温固体燃料燃面退移产生的液膜夹带现象，大大提高了燃料质量的输运，液膜在来流热燃气的剪切作用下产生不稳定现象，液膜破碎成液滴被卷吸入发动机内流场加速燃烧，提高燃烧效率并显著提高燃面退移速率，增大推力。
4.但是，石蜡基药柱的缺点主要由于石蜡基本身机械性能不足，容易受到辐射热的作用而发生药柱的软化脱落，影响燃料的使用。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种药柱骨架与固液混合发动机，以缓解了现有技术中存在的石蜡基药柱机械性能不足，容易受到辐射热的作用而发生药柱的软化脱落的技术问题。
6.第一方面，本发明提供的药柱骨架，包括：外层骨架和内层骨架；
7.所述外层骨架罩设所述内层骨架，所述外层骨架和所述内层骨架均通过3d打印成型；
8.所述外层骨架设置有外燃料放置腔，所述外燃料放置腔用于放置端羟基聚丁二烯燃料或石蜡燃料；
9.所述内层骨架设置有内燃料放置腔，所述内燃料放置腔用于放置石蜡燃料。
10.在可选的实施方式中，
11.所述外层骨架为圆筒状结构，所述外燃料放置腔的截面形状呈梯形，且沿着所述外层骨架的轴向贯穿设置；
12.所述内层骨架为叶轮状结构，所述内燃料放置腔呈螺旋状设置。
13.在可选的实施方式中，
14.所述外层骨架为圆筒状结构，所述外燃料放置腔呈螺旋状设置于所述外层骨架内，且所述外燃料放置腔的截面呈三角形或圆形；
15.所述内层骨架为叶轮状结构，所述内燃料放置腔呈螺旋状设置。
16.在可选的实施方式中，
17.所述外层骨架为圆筒状结构，所述外燃料放置腔呈螺旋状设置于所述外层骨架内，且所述外燃料放置腔的截面呈三角形或圆形；
18.所述内层骨架包括多个直筒形的骨架主体，多个所述骨架主体呈环状依次套设，任意相邻套设的所述骨架主体之间形成所述内燃料放置腔。
19.在可选的实施方式中，
20.所述外层骨架为圆筒状结构，所述外燃料放置腔的截面形状呈梯形，且沿着所述外层骨架的轴向贯穿设置；
21.所述内层骨架包括多个直筒形的骨架主体，多个所述骨架主体呈环状依次套设，任意相邻套设的所述骨架主体之间形成所述内燃料放置腔。
22.第二方面，本发明提供的一种固液混合发动机，包括：前燃室壳体、燃烧室壳体、后燃室壳体、点火构件和所述药柱骨架；
23.所述前燃室壳体和所述后燃室壳体分别设置于所述燃烧室壳体的前端和后端，所述药柱骨架设置于所述燃烧室壳体中；
24.所述点火构件设置于所述前燃室壳体上，且所述点火构件的点火端穿过所述前燃室壳体伸入到所述前燃室壳体的内腔中。
25.在可选的实施方式中，
26.所述固液混合发动机还包括喷管壳体；
27.所述后燃室壳体远离所述燃烧室壳体的一侧与所述喷管壳体连接；
28.所述喷管壳体内设置有喷管主体，所述喷管主体设置为碳陶。
29.在可选的实施方式中，
30.所述固液混合发动机还包括后封头壳体；
31.所述后封头壳体罩设所述喷管壳体，且所述后封头壳体与所述喷管壳体之间设置有第一密封圈。
32.在可选的实施方式中，
33.所述喷管壳体与所述燃烧室壳体之间设置有第二密封圈；
34.所述后封头壳体与所述喷管壳体之间设置有绝热层，所述绝热层位于所述第一密封圈靠近所述燃烧室壳体的一侧，所述绝热层用于阻止热量传递至所述第一密封圈和所述第二密封圈；
35.所述绝热层的材料设置为高硅氧。
36.在可选的实施方式中，
37.所述固液混合发动机还包括气体喷注面板；
38.所述气体喷注面板设置于所述前燃室壳体远离所述燃烧室壳体的一侧，且所述气体喷注面板与所述前燃室壳体可拆卸连接；
39.所述气体喷注面板具有多个气体流通孔。
40.本发明提供的药柱骨架，通过外层骨架和内层骨架的设置，在外层骨架中放置端羟基聚丁二烯燃料或石蜡燃料，在内层骨架中放置石蜡燃料，由于外层骨架和内层骨架均是通过3d打印成型，外层骨架和内层骨架机械性能更佳，为石蜡燃料提供有效的机械支撑，避免石蜡融化坍塌，缓解了现有技术中存在的石蜡基药柱机械性能不足，容易受到辐射热的作用而发生药柱的软化脱落的技术问题。
附图说明
41.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
42.图1为本发明实施例提供的药柱骨架实施方式一的整体结构剖视图；
43.图2为本发明实施例提供的药柱骨架实施方式二的整体结构剖视图；
44.图3为本发明实施例提供的药柱骨架实施方式三的整体结构剖视图；
45.图4为本发明实施例提供的药柱骨架实施方式四的整体结构剖视图；
46.图5为本发明实施例提供的药柱骨架实施方式五的整体结构剖视图；
47.图6为本发明实施例提供的药柱骨架实施方式六的整体结构剖视图；
48.图7为本发明实施例提供的固液混合发动机的整体结构剖视图。
49.图标：10-外层骨架；20-内层骨架；100-前燃室壳体；200-燃烧室壳体；300-后燃室壳体；400-点火构件；500-药柱骨架；600-喷管壳体；610-第一密封圈；620-第二密封圈；630-喷管主体；700-后封头壳体；710-绝热层；800-气体喷注面板；900-进气室。
具体实施方式
50.下面将结合实施例对本发明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他实施例，都属于本发明保护的范围。
51.本实施例提供的药柱骨架500，包括：外层骨架10和内层骨架20；外层骨架10罩设内层骨架20，外层骨架10和内层骨架20均通过3d打印成型；外层骨架10设置有外燃料放置腔，外燃料放置腔用于放置端羟基聚丁二烯燃料或石蜡燃料；内层骨架20设置有内燃料放置腔，内燃料放置腔用于放置石蜡燃料。
52.具体而言，外层骨架10套设在内层骨架20外，即内层骨架20设置在外层骨架10的中心内部，外层骨架10和内层骨架20均为骨架结构，形成有外燃料放置腔和内燃料放置腔，在外燃料放置腔和内燃料放置腔中放置燃料，实现一种双层骨架与两种燃料结合的药柱结构。
53.内层骨架20选择骨架体积占比极小的骨架类型，如：叶轮型、直筒型；外层选择容易骨架体积占比较大的骨架类型，如螺旋扫略型或梯形贯穿型，详见以下实施方式，另外内层骨架20的填充燃料选择燃速较快的材料如石蜡，外层的填充燃料可以选择为石蜡或端羟基聚丁二烯燃料。
54.根据需要，内层骨架20选择高燃速燃料和高燃速骨架，实现快速燃烧来提供大幅度起飞推力，设计的骨架维持着燃烧状态的稳定，提供机械性能方面的支撑；外层骨架10选择稳定性高的骨架和稳定性好的燃料，来使外层实现缓慢稳定燃烧和燃面退移速率来维持续航状态下的稳定飞行状态，并且可以解决传统药柱后期推力不平稳的问题。
55.如图1所示，在可选的实施方式一中，外层骨架10为圆筒状结构，外燃料放置腔的截面形状呈梯形，且沿着外层骨架10的轴向贯穿设置；内层骨架20为叶轮状结构，内燃料放
置腔呈螺旋状设置。
56.具体而言，外层骨架10呈圆筒状结构，在外层骨架10的壁厚上沿着外层骨架10的轴线方向贯穿形成外燃料放置腔，外燃料放置腔的截面形状为梯形，梯形的宽度朝向外层骨架10的轴线方向逐渐渐缩，内层骨架20呈叶轮状，在叶轮之间形成内燃料放置腔，即可使内燃料放置腔呈螺旋状。
57.如图2所示，在可选的实施方式二中，外层骨架10为圆筒状结构，外燃料放置腔呈螺旋状设置于外层骨架10内，且外燃料放置腔的截面呈三角形；内层骨架20为叶轮状结构，内燃料放置腔呈螺旋状设置。
58.具体而言，外层骨架10呈圆筒状结构，在外层骨架10的壁厚上开设螺旋状的外燃料放置腔，且外燃料放置腔的截面形状为三角形，三角形的宽度朝向外层骨架10的轴线方向逐渐渐缩，内层骨架20呈叶轮状，在叶轮之间形成内燃料放置腔，即可使内燃料放置腔呈螺旋状。
59.另外，如图3所示，在可选的实施方式三中，外层骨架10为圆筒状结构，外燃料放置腔呈螺旋状设置于外层骨架10的壁厚内，且外燃料放置腔的截面呈圆形；内层骨架20为叶轮状结构，内燃料放置腔呈螺旋状设置。
60.如图4所示，在可选的实施方式四中，外层骨架10为圆筒状结构，外燃料放置腔呈螺旋状设置于外层骨架10内，且外燃料放置腔的截面呈三角形；内层骨架20包括多个直筒形的骨架主体，多个骨架主体呈环状依次套设，任意相邻套设的骨架主体之间形成内燃料放置腔。
61.具体而言，外层骨架10呈圆筒状结构，在外层骨架10的壁厚上开设螺旋状的外燃料放置腔，且外燃料放置腔的截面形状为三角形，三角形的宽度朝向外层骨架10的轴线方向逐渐渐缩，多个直筒形骨架主体依次套设形成内层骨架20，在直通形骨架的空隙中形成内燃料放置腔，形成直筒形的内层骨架20药柱。
62.另外，如图5所示，在可选的实施方式五中，外层骨架10为圆筒状结构，外燃料放置腔呈螺旋状设置于外层骨架10内，且外燃料放置腔的截面呈圆形；内层骨架20包括多个直筒形的骨架主体，多个骨架主体呈环状依次套设，任意相邻套设的骨架主体之间形成内燃料放置腔。
63.如图6所示，在可选的实施方式六中，外层骨架10为圆筒状结构，外燃料放置腔的截面形状呈梯形，且沿着外层骨架10的轴向贯穿设置；内层骨架20包括多个直筒形的骨架主体，多个骨架主体呈环状依次套设，任意相邻套设的骨架主体之间形成内燃料放置腔。
64.具体而言，外层骨架10呈圆筒状结构，在外层骨架10的壁厚上沿着外层骨架10的轴线方向贯穿形成外燃料放置腔，外燃料放置腔的截面形状为梯形，梯形的宽度朝向外层骨架10的轴线方向逐渐渐缩，多个直筒形骨架主体依次套设形成内层骨架20，在直通形骨架的空隙中形成内燃料放置腔，形成直筒形的内层骨架20药柱。
65.本实施例提供的药柱骨架500，通过外层骨架10和内层骨架20的设置，在外层骨架10中放置端羟基聚丁二烯燃料或石蜡燃料，在内层骨架20中放置石蜡燃料，由于外层骨架10和内层骨架20均是通过3d打印成型，外层骨架10和内层骨架20机械性能更佳，为石蜡燃料提供有效的机械支撑，避免石蜡融化坍塌，缓解了现有技术中存在的石蜡基药柱机械性能不足，容易受到辐射热的作用而发生药柱的软化脱落的技术问题。
66.如图7所示，本实施例提供的一种固液混合发动机，包括：前燃室壳体100、燃烧室壳体200、后燃室壳体300、点火构件400和药柱骨架500；前燃室壳体100和后燃室壳体300分别设置于燃烧室壳体200的前端和后端，药柱骨架500设置于燃烧室壳体200中；点火构件400设置于前燃室壳体100上，且点火构件400的点火端穿过前燃室壳体100伸入到前燃室壳体100的内腔中。
67.具体而言，点火构件400具体为火花塞，采用点火构件400在前燃室壳体100中直接点火，便于重复启动，点火延迟短，并且石蜡基药柱骨架500浇注在燃烧室壳体200上，试验所需的燃烧室壳体200数量较多，燃烧室采用法兰与筒段壳体分段加工的形式，降低成本。
68.在可选的实施方式中，固液混合发动机还包括喷管壳体600；后燃室壳体300远离燃烧室壳体200的一侧与喷管壳体600连接；喷管壳体600内设置有喷管主体630，喷管主体630设置为碳陶。
69.具体而言，喷管壳体600内的喷灌主体选用抗烧蚀的碳陶，可重复多次使用，寿命长，尽量较少碳陶结构尺寸，降低成本，
70.在可选的实施方式中，固液混合发动机还包括后封头壳体700；后封头壳体700罩设喷管壳体600，且后封头壳体700与喷管壳体600之间设置有第一密封圈610，用于将后封头壳体700与喷管壳体600之间密封。
71.在可选的实施方式中，喷管壳体600与燃烧室壳体200之间设置有第二密封圈620，第二密封圈620用于喷管壳体600与燃烧室壳体200，密封后封头壳体700与喷管壳体600之间设置有绝热层710，绝热层710位于第一密封圈610靠近燃烧室壳体200的一侧，绝热层710用于阻止热量传递至第一密封圈610和第二密封圈620；绝热层710的材料设置为高硅氧。
72.具体而言，绝热层710选用绝热性能好的高硅氧，主要起到保护第一密封圈610和第二密封圈620两道橡胶圈密封的作用，由于绝热层710的保护，第一密封圈610和第二密封圈620可以选用耐温度较低的橡胶密封结构，具有密封可靠性高、成本低、拆装容易的优点。
73.在可选的实施方式中，固液混合发动机还包括气体喷注面板800；气体喷注面板800设置于前燃室壳体100远离燃烧室壳体200的一侧，且气体喷注面板800与前燃室壳体100可拆卸连接；气体喷注面板800具有多个气体流通孔。
74.具体而言，喷注面板设置在前燃室壳体100的端部，喷注面板上开设的多个气体流通孔，可以减缓氧气的流速，并且，在在前燃室壳体100的端部设置有进气室900，进气室900罩设喷注面板，且进气室900与喷注面板之间通过螺纹连接，可自由拆卸喷注面板，根据实际情况，可自由选择不同数量、不同孔径的气体流通孔，以改变氧气的流速。
75.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种药柱骨架(500)，其特征在于，包括：外层骨架(10)和内层骨架(20)；所述外层骨架(10)罩设所述内层骨架(20)，所述外层骨架(10)和所述内层骨架(20)均通过3d打印成型；所述外层骨架(10)设置有外燃料放置腔，所述外燃料放置腔用于放置端羟基聚丁二烯燃料或石蜡燃料；所述内层骨架(20)设置有内燃料放置腔，所述内燃料放置腔用于放置石蜡燃料。2.根据权利要求1所述的药柱骨架(500)，其特征在于，所述外层骨架(10)为圆筒状结构，所述外燃料放置腔的截面形状呈梯形，且沿着所述外层骨架(10)的轴向贯穿设置；所述内层骨架(20)为叶轮状结构，所述内燃料放置腔呈螺旋状设置。3.根据权利要求1所述的药柱骨架(500)，其特征在于，所述外层骨架(10)为圆筒状结构，所述外燃料放置腔呈螺旋状设置于所述外层骨架(10)内，且所述外燃料放置腔的截面呈三角形或圆形；所述内层骨架(20)为叶轮状结构，所述内燃料放置腔呈螺旋状设置。4.根据权利要求1所述的药柱骨架(500)，其特征在于，所述外层骨架(10)为圆筒状结构，所述外燃料放置腔呈螺旋状设置于所述外层骨架(10)内，且所述外燃料放置腔的截面呈三角形或圆形；所述内层骨架(20)包括多个直筒形的骨架主体，多个所述骨架主体呈环状依次套设，任意相邻套设的所述骨架主体之间形成所述内燃料放置腔。5.根据权利要求1所述的药柱骨架(500)，其特征在于，所述外层骨架(10)为圆筒状结构，所述外燃料放置腔的截面形状呈梯形，且沿着所述外层骨架(10)的轴向贯穿设置；所述内层骨架(20)包括多个直筒形的骨架主体，多个所述骨架主体呈环状依次套设，任意相邻套设的所述骨架主体之间形成所述内燃料放置腔。6.一种固液混合发动机，其特征在于，包括：前燃室壳体(100)、燃烧室壳体(200)、后燃室壳体(300)、点火构件(400)和如权利要求1-5任一项所述的药柱骨架(500)；所述前燃室壳体(100)和所述后燃室壳体(300)分别设置于所述燃烧室壳体(200)的前端和后端，所述药柱骨架(500)设置于所述燃烧室壳体(200)中；所述点火构件(400)设置于所述前燃室壳体(100)上，且所述点火构件(400)的点火端穿过所述前燃室壳体(100)伸入到所述前燃室壳体(100)的内腔中。7.根据权利要求6所述的固液混合发动机，其特征在于，所述固液混合发动机还包括喷管壳体(600)；所述后燃室壳体(300)远离所述燃烧室壳体(200)的一侧与所述喷管壳体(600)连接；所述喷管壳体(600)内设置有喷管主体(630)，所述喷管主体(630)设置为碳陶。8.根据权利要求7所述的固液混合发动机，其特征在于，所述固液混合发动机还包括后封头壳体(700)；所述后封头壳体(700)罩设所述喷管壳体(600)，且所述后封头壳体(700)与所述喷管壳体(600)之间设置有第一密封圈(610)。9.根据权利要求8所述的固液混合发动机，其特征在于，
所述喷管壳体(600)与所述燃烧室壳体(200)之间设置有第二密封圈(620)；所述后封头壳体(700)与所述喷管壳体(600)之间设置有绝热层(710)，所述绝热层(710)位于所述第一密封圈(610)靠近所述燃烧室壳体(200)的一侧，所述绝热层(710)用于阻止热量传递至所述第一密封圈(610)和所述第二密封圈(620)；所述绝热层(710)的材料设置为高硅氧。10.根据权利要求6所述的固液混合发动机，其特征在于，所述固液混合发动机还包括气体喷注面板(800)；所述气体喷注面板(800)设置于所述前燃室壳体(100)远离所述燃烧室壳体(200)的一侧，且所述气体喷注面板(800)与所述前燃室壳体(100)可拆卸连接；所述气体喷注面板(800)具有多个气体流通孔。

技术总结
本发明提供了一种药柱骨架与固液混合发动机，涉及固液火箭发动机技术领域，通过外层骨架和内层骨架的设置，在外层骨架中放置端羟基聚丁二烯燃料或石蜡燃料，在内层骨架中放置石蜡燃料，由于外层骨架和内层骨架均是通过3D打印成型，外层骨架和内层骨架机械性能更佳，为石蜡燃料提供有效的机械支撑，避免石蜡融化坍塌，缓解了现有技术中存在的石蜡基药柱机械性能不足，容易受到辐射热的作用而发生药柱的软化脱落的技术问题。软化脱落的技术问题。软化脱落的技术问题。


技术研发人员：张源俊 田辉 张宇晨 杨辰润 田嘉琪
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.02.14
技术公布日：2023/5/11