一种微推进剂药柱浇注系统及方法
阅读说明：本技术 一种微推进剂药柱浇注系统及方法 (Micro-propellant grain pouring system and method ) 是由 胡松启 刘雪莉 刘林林 于 2021-06-09 设计创作，主要内容包括：本发明一种微推进剂药柱浇注系统及方法,属于航天推进技术领域；包括加压装置、恒温水浴循环装置、真空装置和浇注装置；恒温水浴循环装置设置于浇注装置的外围,通过设定温度的循环水维持浇注装置的内环境温度；加压装置通过加压管与转接盖连接,转接盖密封安装于恒温水浴循环装置和浇注装置的上端口,通过对浇注装置内加压,使得推进剂药浆从浇注口均匀留出；真空装置通过真空管与浇注装置底部连通,为推进剂药浆在下落过程提供负压环境,消除药浆中的气泡。通过高压气瓶对内衬内加压更易于高粘度药浆流出,使得该药柱浇注系统适用于高粘度药浆；能够通关控制高压气瓶的流量,对压力进行精密控制,进而对药柱浇注过程的流动速度控制更精准。(The invention relates to a micro-propellant grain pouring system and a method, belonging to the technical field of aerospace propulsion; comprises a pressurizing device, a constant-temperature water bath circulating device, a vacuum device and a pouring device; the constant-temperature water bath circulating device is arranged at the periphery of the pouring device and maintains the internal environment temperature of the pouring device through circulating water with set temperature; the pressurizing device is connected with the adapter cover through a pressurizing pipe, the adapter cover is hermetically arranged at the upper ports of the constant-temperature water bath circulating device and the pouring device, and propellant slurry is uniformly reserved from the pouring port by pressurizing the inside of the pouring device; the vacuum device is communicated with the bottom of the pouring device through a vacuum tube, so that a negative pressure environment is provided for the propellant slurry in the falling process, and bubbles in the slurry are eliminated. The high-viscosity slurry can flow out easily by pressurizing the inner lining through the high-pressure gas cylinder, so that the column pouring system is suitable for the high-viscosity slurry; can close the flow of control high pressure gas cylinder, carry out accurate control to pressure, and then more accurate to the flow velocity control of explosive column pouring process.)
技术领域
本发明属于航天推进
技术领域
，具体涉及一种微推进剂药柱浇注系统及方法。背景技术
目前，具有小推力特性的微动力系统在微小卫星姿轨控和导弹精确制导方面应用前景广阔，已经成为国内外研究者研究的热点之一。微推进系统根据能量转化方式不同，可分为化学微推进、冷气微推进和电微推进，其中，固体化学微推进系统由于结构简单、体积小、集成度高、运行可靠以及成本低等优点应用前景良好。常规固体推进剂的制造工艺可分为压铸法、压伸法和浇注法三类，目前压伸法和浇注法是国内外广泛使用的药柱成型方法，前者常用于双基推进剂来制造中、小型发动机装药，后者常用于复合固体推进剂来制造构型复杂的大型装药。
发明专利CN201010598635.8公开了“一种挤压式微药柱成型装置”，该装置通过旋进推杆产生一定的压力，从而将模具上的推进剂药浆挤压进模具孔内成型。该装置虽然能够实现微推进剂药柱的制备，但是成型的药柱内部可能含有较多的气泡，且对粘度较大的推进剂药浆来说，制备过程中产生的挤压、摩擦及旋转应力等均可能导致含能组分发生缓慢的热分解，甚至发生爆炸。
南京理工大学的王建等人(王建.化学芯片的喷墨快速成型技术研究[D].南京理工大学,2006.)结合光固化成型工艺和喷墨三维打印成型技术，建立了由含能材料配制成紫外光(UV)喷墨的快速成型实验装置，证明了喷墨快速成型技术可快速、精确、安全、自动化且无药剂浪费地实现微小型药柱装药，并通过实验筛选出适用于喷墨快速成型化学芯片的工艺参数，分析了油墨固化的影响因素。然而，该技术的主要成型材料是固化速度快、粘度低且溶胀小的光固化树脂，不适用于其他类型的粘结体系，高粘度推进剂药浆不能通过该技术来制备微推进剂药柱。此外，成型装置包括UV光源、三维成型平台、成型控制系统、喷头和喷洒作用机五部分，结构和工艺均较复杂，成本较高。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种微推进剂药柱浇注系统及方法，针对目前国内外高粘度物料难以实现微推进剂药柱安全可靠成型的不足，本发明系统能够有效除去高粘度药浆中的气泡，实现微小型推进剂药柱的自由装填和贴壁浇注成型，制备过程简易且安全。
本发明的技术方案是：一种微推进剂药柱浇注系统，其特征在于：包括加压装置、恒温水浴循环装置、真空装置和浇注装置；所述恒温水浴循环装置设置于浇注装置的外围，通过设定温度的循环水维持浇注装置的内环境温度；
所述加压装置通过加压管与转接盖连接，所述转接盖密封安装于恒温水浴循环装置和浇注装置的上端口，通过对浇注装置内加压，使得推进剂药浆从浇注口均匀留出；
所述真空装置通过真空管与浇注装置底部连通，为推进剂药浆在下落过程提供负压环境，消除药浆中的气泡。
本发明的进一步技术方案是：所述加压装置为高压气瓶，其出口与浇注装置的转接盖之间设置有减压阀；高压气瓶内充有氮气。
本发明的进一步技术方案是：所述恒温水浴循环装置包括水浴腔、恒温水浴循环泵、进水管和回水管，所述恒温水浴循环泵的出水口通过进水管与水浴腔的进水口连接，其回水口通过回水管与水浴腔的出水口连接。
本发明的进一步技术方案是：所述恒温水浴循环装置为双层壁结构，其内、外壁面之间为水浴腔，内壁面与位于顶端的转接盖、位于底端的底板组成密封结构的浇注装置；所述转接盖通过螺纹与水浴腔上端内螺纹配合安装。
本发明的进一步技术方案是：所述水浴腔的侧壁沿前后壁面对称布置两个透明观察窗，便于观察浇注时药浆流动情况，进而对浇注过程进行控制。
本发明的进一步技术方案是：所述浇注装置上部安装有内衬，用于防止推进剂药浆腐蚀浇注装置内壁，其材质为黄铜；内衬为下端带有收敛孔的套筒，其上端通过转接盖与水浴腔内螺纹配合压紧安装，下端为倒锥形的收敛喷嘴，收敛喷嘴正下方对应设置有模具，药浆经过收敛喷嘴后成细条状落入模具中。
本发明的进一步技术方案是：所述浇注装置的底板为空腔结构，上表面沿圆周均布有12个与空腔相通的孔，中心为一凹台用于放置模具，底面上沿圆周局部有4个法兰通孔，通过4颗螺钉将底板与浇注装置底部连接，底板与浇注装置间通过密封圈密封、底板的底面中心有一孔并与底板空腔连通；下方沿圆周均布有4根支撑脚，用于支撑浇注装置。
本发明的进一步技术方案是：所述水浴腔的出水口位于上端侧壁，进水口位于下端侧壁。
本发明的进一步技术方案是：所述真空装置包括真空泵、真空管、真空阀和排气阀，真空泵通过真空管、真空阀、三通管与浇注装置的底板连通，并在三通管的第三接口处安装排气阀。
一种微推进剂药柱浇注系统浇注微推进剂药柱的方法，具体步骤如下：
步骤一：将所述模具放置在底板上，通过螺钉将底板与浇注装置连接，并采用O型圈将底板与浇注装置进行密封；
步骤二：通过所述回水管将浇注装置的出水口与恒温水浴循环泵的回水口连接，通过进水管将浇注装置的进水口与恒温水浴循环泵的出水口连接；所述真空泵依次通过真空管、真空阀三通管与底板连通；
步骤三：打开恒温水浴循环装置，根据药浆熔融温度设定水浴温度，预热1小时；
步骤四：将药浆转移至内衬中然后将内衬放置于浇注装置内，将转接盖与浇注装置通过螺纹连接，并将加压管与转接盖连接，关闭排气阀，并打开真空阀；
步骤五：打开真空泵对水浴腔下半部分的浇注室抽真空，通过透明观察窗来观察药浆下落，若药浆粘度太大导致不能正常流过内衬收缩段，打开气瓶，通过调节减压阀对药浆施加一定的压力，使药浆顺利下落；
步骤六：当观察到药浆填满模具，关闭气瓶及真空阀，然后关闭真空泵缓慢打开排气阀；
步骤七：将底板与浇注装置拆卸开，取出模具，放置于烘箱中一段时间，推进剂固化后脱模即可得到成型的微推进剂药柱。
有益效果
本发明的有益效果在于：
(1)通过高压气瓶对内衬内加压更易于高粘度药浆流出，使得该药柱浇注系统既适用于低粘度药浆，还适用于高粘度药浆；相对于单纯通过加热浇注腔体的现有技术，能够通关控制高压气瓶的流量，对压力进行精密控制，进而对药柱浇注过程的流动速度控制更精准；
(2)采用下端带有收敛结构的内衬使得药浆在高压气的作用下既可以成滴流出，也可以成束流出，药浆流量调节范围广，因此该系统可浇注的微推进剂药柱尺寸范围大；将喷嘴和内衬一体化设计，在不需要增加附件的情况下能够更好的完成浇注工作，减少了设计和制造成本。
(3)采用微推进剂药柱浇注系统，通过真空装置能够除去从内衬喷嘴处挤出的药浆中的气泡，使得落入模具中的药浆无气泡，固化后制得的药柱结构完整。
附图说明
图1为本发明微推进剂药柱浇注系统的示意图；
图2为本发明微推进剂药柱浇注装置的主剖视图；
图3为本发明微推进剂药柱浇注装置的右剖视图；
图4为本发明微推进剂药柱浇注装置的左剖视图；
图5为本发明微推进剂药柱浇注装置的俯视图；
图6为本发明转接盖的主剖视图；
图7为本发明转接盖的俯视图；
图8为本发明内衬的主剖视图；
图9为本发明内衬的俯视图；
图10为本发明底板的主剖视图；
图11为本发明底板的俯视图；
图12为本发明底板的仰视图。
附图标记说明：1.恒温水浴循环泵，2.回水管，3.高压气瓶，4.加压管，5.转接盖，6.内衬，7.浇注装置，8.透明窗玻璃，9.真空泵，10.真空管，11.水浴腔，12.真空阀，13.排气阀，14.底板，15.模具，16.进水管，17.减压阀，18.三通管。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。
参照图1所示，本发明设计的微推进剂药柱浇注系统包括加压装置、恒温水浴循环装置、真空装置和浇注装置4部分。加压装置能够对浇注装置装填室中推进剂药浆进行加压，使推进剂药浆能够通过内衬中的细孔；恒温水浴循环装置通过一定温度的循环水来维持浇注装置的环境温度，使得推进剂药浆温度维持在设定温度，确保推进剂药浆具有稳定的流动性；真空装置能够为推进剂药浆在下落过程提供负压环境，消除药浆中的气泡；浇注装置能够实现推进剂药浆浇注成型。
加压管的一端与减压阀17的出口端连接，加压管的另一端与转接盖5连接，减压阀17的入口端通过螺纹与高压气瓶连接，转接盖5通过螺纹与水浴腔11的上端面连接，内衬6放置在水浴腔11的台阶处，转接盖5的螺纹端面与水浴腔11的台阶面挤压，中间为内衬6的边缘，因此将内衬6与转接盖5压紧密封，高压气瓶中的氮气通过减压阀17调至使用压强后经加压管进入转接盖5，从而进入装有推进剂药浆的内衬6，可对药浆施加压力，挤压推进剂药浆沿内衬的喷嘴流出。水浴腔11是通过循环水来加热，从而使得推进剂药浆温度升高并维持在设定温度，循环水温度是通过恒温水浴循环装置来控制的。水浴腔11的侧壁沿前后壁面对称布置两个透明观察窗8，方便观察浇注时药浆流动情况，进而对浇注过程进行控制。浇注装置的底板14上沿圆周均布有4根支撑脚，用于支撑浇注装置。
水浴腔11的侧面有两个支管，分别位于浇注装置的上端侧面和下端侧面，其中上端为出水口，下端为进水口，进水口和出水口与浇注装置的循环水浴腔室连通，恒温水浴循环泵的出水口与浇注装置的进水口通过进水管连接，循环水浴泵的回水口与浇注装置的出水口通过回水管连接，循环水浴泵、进水管、进水口、出水口和回水管共同组成恒温水浴循环装置。
内衬6是保护浇注装置内壁而不被推进剂药浆腐蚀的部件，考虑到黄铜的导热性和防静电好，因此内衬的材料为黄铜，内衬的外壁面与水浴内腔紧密配合，能促进水浴腔内壁与内衬间的导热，内衬的下端为收敛喷嘴，药浆经过喷嘴后成细条状落入模具中。底板是模具的支撑部件，底板为空腔结构，上表面沿圆周均布有12个与空腔相通的孔，中心为一凹台用于放置模具，底面上沿圆周局部有4个法兰通孔，通过4颗螺钉将底板与浇注装置连接，底板与浇注装置间通过密封圈密封、底板的底面中心有一孔并与底板空腔连通。
底板14的中心孔与三通管的一端焊接，三通管的另外两头分别接排气阀和真空泵阀，真空泵阀的另一端通过真空管与真空泵连接。
本发明实施例中微推进剂药柱浇注系统由恒温水浴循环泵1，回水2管，高压气瓶3，加压管4，转接盖5，内衬6，浇注装置7，透明窗玻璃8，真空泵9，真空管10，水浴腔11，真空阀12，排气阀12，底板14，模具15，进水管16，减压阀17，三通管18组成。
参照图6、7所示，所述的转接盖5上下端均为外螺纹，其中上端外螺纹与加压管4的一端连接，下端外螺纹与浇注装置7的上端连接并通过O型密封圈密封；转接盖5的中心为通孔，分别与加压管4和内衬6连通。
所述加压管4的另一端与减压阀17的出口端通过管螺纹连接，减压阀17的入口端通过管螺纹与高压气瓶3的瓶口连接。
参照图8、9所示，所述内衬6为圆管状，上端为台阶状，中间为圆管，下端为锥形漏斗状，出口为喷嘴，喷嘴内径为2mm，内衬6与浇注装置7间隙配合，内衬6的上端台阶用于支撑内衬6并进行定位。
参照图2-5所示，所述浇注装置7为夹层空腔结构，夹层为水浴腔11，浇注装置7的侧壁面有两支管，分别位于上侧和下侧，上侧支管为出水口支管，下侧支管为进水口支管，出水口支管与回水管2的一端连接，进水口支管与进水管16的一端连接，回水管2的另一端与恒温水浴循环泵1的回水口连接，进水管16的另一端与恒温水浴循环泵1的出水口连接，所述浇注装置的侧壁上安装有透明窗玻璃8，用于观察药浆的浇注过程。
参照图10-12所示，所述底板14为空腔结构，上端面沿圆周均布有12个孔与空腔连接，上端面中间为凹槽，模具15放置在凹槽上，底板14下端面上有一直径为8mm的孔并与空腔连通，底板14下端面孔与三通管18的一端连接，底板14的法兰通过四颗螺钉与浇注装置7连接，并采用O型密封圈密封。
三通管18的左端接排气阀13，右端与真空阀12的一端连接，真空阀12的另一端与真空管10的一端连接，所述真空管的另一端与真空泵9连接。
使用此系统浇注微推进剂药柱成型步骤如下：
(1)将模具放置在底座上，通过螺钉将底座与浇注装置连接，并使用O型圈将底座与浇注装置密封；
(2)通过回水管将浇注装置的出水口支管与恒温水浴循环泵的回水口连接，通过进水管将浇注装置的进水口支管与恒温水浴循环泵的出水口连接，通过真空管将真空泵与真空阀连接。
(3)打开恒温水浴循环，根据药浆熔融温度设定水浴温度，预热1小时；
(4)将药浆转移至内衬中然后将内衬放置于浇注装置内，将转接盖与浇注装置通过螺纹连接，并将加压管与转接盖连接，关闭排气阀，并打开真空阀；
(5)打开真空泵对水浴腔下半部分的浇注室抽真空，通过透明观察窗来观察药浆下落，若药浆粘度太大导致不能正常流过内衬收缩段，打开气瓶，通过调节减压阀对药浆施加一定的压力，使药浆顺利下落；
(6)当观察到药浆填满模具，关闭气瓶及真空阀，然后关闭真空泵缓慢打开排气阀；
(7)将底板与浇注装置拆卸开，取出模具，放置于烘箱中一段时间，推进剂固化后脱模即可得到成型的微推进剂药柱。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。