一种膨胀偏转喷管主动热防护结构
阅读说明：本技术 一种膨胀偏转喷管主动热防护结构 (Active heat protection structure of expansion deflection spray pipe ) 是由 杨正 谢侃 李想 李泓瑾 苗龙 王宁飞 于 2021-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种膨胀偏转喷管主动热防护结构,包括燃烧室,燃烧室的一端固接有喷管,燃烧室与喷管连通,燃烧室内设置有空心圆柱体,空心圆柱体的一端与燃烧室固接,空心圆柱体另一端固接有导流器,空心圆柱体与导流器连通,导流器位于喷管内；导流器包括连通管和导流端面,连通管两端分别与空心圆柱体和导流端面固接,连通管与空心圆柱体连通。本发明能够实现通过喷注二次流在主流燃气与导流器之间形成的二次流剪切层,减少主流与导流器的直接接触,降低主流对导流器的高温烧蚀、冲击和工质的摩擦,提高导流器的工作寿命,进而提高膨胀偏转喷管工作可靠性。(The invention discloses an expansion deflection spray pipe active heat protection structure, which comprises a combustion chamber, wherein one end of the combustion chamber is fixedly connected with a spray pipe, the combustion chamber is communicated with the spray pipe, a hollow cylinder is arranged in the combustion chamber, one end of the hollow cylinder is fixedly connected with the combustion chamber, the other end of the hollow cylinder is fixedly connected with a fluid director, the hollow cylinder is communicated with the fluid director, and the fluid director is positioned in the spray pipe; the fluid director comprises a communicating pipe and a flow guiding end face, two ends of the communicating pipe are fixedly connected with the hollow cylinder and the flow guiding end face respectively, and the communicating pipe is communicated with the hollow cylinder. The invention can realize the secondary flow shear layer formed between the main flow gas and the fluid director by injecting the secondary flow, reduce the direct contact between the main flow and the fluid director, reduce the high-temperature ablation, impact and working medium friction of the main flow to the fluid director, prolong the service life of the fluid director and further improve the working reliability of the expansion deflection spray pipe.)
技术领域
本发明涉及发动机
技术领域
，特别是涉及一种膨胀偏转喷管主动热防护结构。背景技术
喷管是火箭发动机的主要组成部件，是决定其性能的关键因素。高性能的喷管是提升火箭发动机性能指标的重要途径。为了高效地执行飞行任务，火箭发动机必须产生高比冲，即在单位时间内消耗的燃料重量与推力的高比率。当发动机有一个高面积比的喷管时，这是最容易实现的，面积比是喷管出口面积和喉部面积的比值。然而，传统的锥型/钟型喷管几何结构固定，因此喷管面积比固定，只有在设计高度能够获得最佳工作性能，而在大范围的飞行高度下存在较大的推力损失，限制了火箭发动机性能的进一步提高。
膨胀偏转喷管是一种具有高度补偿效应的喷管。它通过喷管喉部的导流器对燃气喷流膨胀进行限制，同时膨胀喷流感应大气环境自动调整轮廓，进而调节喷管面积比。相较于传统喷管，膨胀偏转喷管具有工作高度范围宽、长度短、结构紧凑、重量轻的优点。在运载器两级连接时可采用“嵌入式”设计，即将下面级的前封头嵌入上面级的膨胀偏转喷管中，取消级间段，大大节省运载器的长度及发射设备空间。由于上述优势，美国NASA和法国航空航天局很早就提出了基于膨胀偏转喷管技术的“整体级”火箭发动机概念，作为新一代发动机的储备技术，并完成了地面原理样机开发与热试演示验证。
但是，膨胀偏转喷管喉部导流器在工作过程中会承受极大的温度梯度和热应力，要抵抗高温、高速气流的冲刷，同时还存在复杂的流场结构与复杂波系。对于高燃温、长时间工作的火箭发动机来说，喷管喉部导流器的烧蚀问题尤为突出，表现为结构尺寸改变，表面粗糙不平，型面不规整等，从而使得喷管效率降低，严重时导致发动机工作失效。目前主要采用耐烧蚀材料和喉部导流器表面喷涂隔热涂层的被动方法，依靠材料自身性能来抵抗烧蚀，但上述解决方案存在结构质量大、工艺复杂、长时间工作性能稳定等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种膨胀偏转喷管主动热防护结构，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现通过喷注二次流在主流燃气与导流器之间形成的二次流剪切层，减少主流与导流器的直接接触，降低主流对导流器的高温烧蚀、冲击和工质的摩擦，提高导流器的工作寿命，进而提高膨胀偏转喷管工作可靠性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种膨胀偏转喷管主动热防护结构，包括燃烧室，所述燃烧室的一端固接有喷管，所述燃烧室与所述喷管连通，
所述燃烧室内设置有空心圆柱体，所述空心圆柱体的一端与所述燃烧室固接，所述空心圆柱体另一端固接有导流器，所述空心圆柱体与所述导流器连通，所述导流器位于所述喷管内；
所述导流器包括连通管和导流端面，所述连通管两端分别与所述空心圆柱体和所述导流端面固接，所述连通管与所述空心圆柱体连通；
所述连通管上周向开设有喷注孔，所述导流端面和所述喷注孔均位于所述喷管内，且所述连通管通过所述喷注孔与所述喷管连通。
优选的，所述空心圆柱体包括圆柱体外壁和流通二次流的空心腔体，所述连通管包括连通管外壁和连通腔体，所述空心腔体与所述连通腔体连通，所述喷注孔开设在所述连通管外壁上，所述圆柱体外壁分别与所述连通管外壁和所述燃烧室固接。
优选的，所述导流端面包括凹台面和凸台面，所述喷注孔的出气端与所述凹台面对应设置。
优选的，所述喷注孔设置有若干个，若干所述喷注孔均倾斜设置。
优选的，所述喷注孔的孔径不大于所述连通腔体孔径。
优选的，所述燃烧室包括燃烧室外壁和燃烧室收敛段外壁，所述燃烧室收敛段外壁端面上固接有若干螺柱，所述燃烧室收敛段外壁通过所述螺柱与所述喷管固接。
优选的，所述喷管包括依次连接的喷管收敛段外壁、喷管喉部外壁、喷管扩张段外壁，所述喷管收敛段外壁端面上开设有若干安装孔，所述安装孔与所述螺柱对应设置，所述凹台面和所述凸台面均位于所述喷管扩张段外壁内。
所述凸台面与所述喷管喉部外壁之间形成有用于通过所述二次流和主流燃气的喉道。
优选的，所述圆柱体外壁与所述连通管外壁为一体成型结构。
优选的，所述圆柱体外壁、所述连通管外壁、所述凹台面、所述凸台面均采用耐高温材质。
本发明公开了以下技术效果：
1.本发明提供的一种膨胀喷管主动热防护结构，工作时通过喷注孔喷注的二次流在主流燃气与导流器之间形成的二次流剪切层，可减小主流与导流器的直接接触，降低主流对导流器的高温烧蚀、冲击和工质的摩擦，提高导流器的工作寿命，进而提高膨胀偏转喷管工作可靠性；
2.本发明提供的导流器具有特殊的导流端面，有利于提高二次流对导流器的导流端面的防护效果；
3.本发明提供的一种膨胀喷管主动热防护结构，可根据主流燃气温度、成分的不同，主动调节二次流工质的状态，进而有效控制主流对导流器的烧蚀；
4.本发明提供的一种膨胀喷管主动热防护结构，通过改变二次流工质的状态也能够调节发动机推力大小，实现发动机推力可控；
5.本发明提供的导流器、空心圆柱体以及燃烧室之间可采用分体螺纹连接结构，结构简单，便于拆卸、更换，可以提高膨胀偏转喷管的使用维护性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为膨胀偏转喷管主动热防护结构的结构示意图；
图2为燃烧室的结构示意图；
图3为喷管的结构示意图；
图4为空心圆柱体的结构示意图；
图5为导流器的结构示意；
图6为未采取主动热防护模式下的状态图；
图7为采取主动热防护模式下的状态图；
图8为图7中A处的局部放大图；
其中，1-燃烧室，101-燃烧室外壁，102-燃烧室收敛段外壁，103-螺柱，2-喷管，201-喷管收敛段外壁，202-喷管喉部外壁，203-喷管扩张段外壁，204-安装孔，3-空心圆柱体，301-圆柱体外壁，302-空心腔体，4-连通管，401-连通管外壁，402-连通腔体，5-导流端面，501-凹台面，502-凸台面，6-喷注孔，7-二次流，8-主流燃气，9-喉道,10-螺母。
具体实施方式
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种膨胀偏转喷管主动热防护结构，包括燃烧室1，燃烧室1的一端固接有喷管2，燃烧室1与喷管2连通，燃烧室1内设置有空心圆柱体3，空心圆柱体3的一端与燃烧室1固接，空心圆柱体3另一端固接有导流器，空心圆柱体3与导流器连通，导流器位于喷管2内；导流器包括连通管4和导流端面5，连通管4两端分别与空心圆柱体3和导流端面5固接，连通管4与空心圆柱体3连通；连通管4上周向开设有喷注孔6，导流端面5和喷注孔6均位于喷管2内，且连通管4通过喷注孔6与喷管2连通。
燃烧室1内流通有主流燃气8，工作时，主流燃气8一般从左向右流动，如图6所示，未采取主动热防护模式下，主流燃气8在燃烧室1内流动，随后进入喷管2内，在主流燃气8进入喷管2内时，主流燃气8对导流器端面5有明显的冲击和工质的摩擦。
如图7-8所示，采取主动热防护模式下，二次流7在空心圆柱体3和连通管4内流动，从喷注孔6流出。喷注的二次流7在主流燃气8与导流端面5之间形成二次流剪切层，可减小主流燃气8与导流端面5的直接接触，降低主流燃气8对导流端面5的高温烧蚀、冲击和工质的摩擦，提高导流器的工作寿命，进而提高膨胀偏转喷管工作可靠性。同时，根据主流燃气8温度、成分的不同，可以主动调节二次流7工质的状态，进而有效控制主流燃气8对导流器的烧蚀。通过改变二次流7工质的状态也能够调节发动机推力大小，实现发动机推力可控。
进一步优化方案，空心圆柱体3包括圆柱体外壁301和流通二次流7的空心腔体302，连通管4包括连通管外壁401和连通腔体402，空心腔体302与连通腔体402连通，喷注孔6开设在连通管外壁401上，圆柱体外壁301分别与连通管外壁401和燃烧室1固接。
空心腔体302用来流通二次流7，经过连通腔体402后最终由喷注孔6流出，圆柱体外壁301远离连通管外壁401的一端可以与燃烧室1通过焊接或者螺纹连接方式固定，以使得圆柱体外壁301支撑连通管外壁401最终支撑导流端面5。
进一步优化方案，导流端面5包括凹台面501和凸台面502，喷注孔6的出气端与凹台面501对应设置。
凸台面502的高度应高于凹台面501，凹台面501相对于凸台面502更加靠近喷注孔6，凹台面501与凸台面502平滑过渡，由喷注孔6喷出的二次流7打在凹台面501的表面上，随后在凹台面501上流至凸台面502，二次流7在凹台面501和凸台面502上流动形成一个二次流剪切层，以保护主流燃气8对凹台面501和凸台面502的烧灼。
进一步优化方案，喷注孔6设置有若干个，若干喷注孔6均倾斜设置。为了提高二次流7对凹台面501和凸台面502的保护效果，设置多个喷注孔6，多个喷注孔6均匀分布，且多个喷注孔6位于同一竖直平面上，在采用主动热防护模式下，连通腔体402内的二次流7由多个喷注孔6喷出，较为均匀的覆盖在凹台面501和凸台面502上，以降低主流燃气8对凹台面501和凸台面502的烧灼，此外，若干喷注孔6均倾斜设置，目的是为了由喷注孔6喷出的二次流7可以打在凹台面501上，倾斜喷出的二次流7不会影响主流燃气8的正常运动，同时由于主流燃气8的存在，当主流燃气8正常运动时，可以辅助二次流7在凹台面501和凸台面502上流动以形成二次流剪切层，提高对凹台面501和凸台面502的保护效果。
进一步优化方案，喷注孔6的孔径不大于连通腔体402孔径。喷注孔6的孔径不应当大于连通腔体402的孔径，以使得由喷注孔6喷出的二次流的流速大于连通腔体402内的二次流的流速，进而实现在凹台面501和凸台面502上流动以形成二次流剪切层的效果。
进一步优化方案，燃烧室1包括燃烧室外壁101和燃烧室收敛段外壁102，燃烧室收敛段外壁102端面上固接有若干螺柱103，燃烧室收敛段外壁102通过螺柱103与喷管2固接。燃烧室外壁101与圆柱体外壁301固接，燃料在燃烧室外壁101内燃烧形成主流燃气8，并通过燃烧室收敛段102、喷管收敛段外壁201、喷管喉部外壁202进入喷管扩张段外壁203内，由于燃烧室收敛段102、喷管收敛段外壁201、喷管喉部外壁202的存在，在燃烧室外壁101内产生的高温高压的主流燃气的流通面积减小，因此提高发动机的动力。而在燃烧室收敛段外壁102设置螺柱103，目的是便于喷管2的安装。
进一步优化方案，喷管2包括依次连接的喷管收敛段外壁201、喷管喉部外壁202、喷管扩张段外壁203，喷管收敛段外壁201端面上开设有若干安装孔204，安装孔204与螺柱103对应设置，凹台面501和凸台面502均位于喷管扩张段外壁203内。安装孔204穿过螺柱103，通过螺母10锁紧。安装孔204沿喷管收敛段外壁201端面周向均匀分布，安装孔204数量与螺柱103数量一致。
进一步优化方案，凸台面502与喷管喉部外壁202之间形成有用于通过二次流7和主流燃气8的喉道9。喷管收敛段外壁201与喷管扩张段外壁203的交汇处即为喷管喉部外壁202，凸台面502与喷管喉部外壁202形成喉道9，主流燃气8以及二次流7通过喉道9进入喷管2内，以完成正常的动力提供效果。
进一步优化方案，圆柱体外壁301与连通管外壁401为一体成型结构。圆柱体外壁301与连通管外壁401可以为一体结构，以提高工件的制作效率以及密封效果，而为了便于运输或者安装，圆柱体外壁301与连通管外壁401也可以为分体结构，通过焊接或者螺纹连接的方式固定，两种连接方式根据实际情况选择，在此不做过多赘述。
进一步优化方案，圆柱体外壁301、连通管外壁401、凹台面501、凸台面502均采用耐高温材质。为了提高防护结构的耐烧灼性，圆柱体外壁301、连通管外壁401、凹台面501、凸台面502可采用钨渗铜、碳-碳等耐高温材料。其中圆柱体外壁301、连通管外壁401、凹台面501、凸台面502可采用相同材料也可采用不同材料，需根据使用使用情况确定材料。
工作原理；
采取主动热防护模式下，燃料在燃烧室外壁101内燃烧形成高温高压气体，随后高温高压气体经过燃烧室收敛段102、喷管收敛段外壁201，喷管喉部外壁202后进入喷管扩张段外壁203内，此时二次流7在空心圆柱体3和连通管4内流动，从喷注孔6流出。喷注的二次流7喷注至凹台面501上，在凹凸面501的作用下流至凸台面502后流至喷管扩张段外壁203，二次流7在主流燃气8与凹台面501、凸台面502之间形成二次流剪切层，可减小主流燃气8与凹台面501、凸台面502的直接接触，降低主流燃气8对凹台面501、凸台面502的高温烧蚀、冲击和工质的摩擦，提高导流器的工作寿命，进而提高膨胀偏转喷管工作可靠性。同时，根据主流燃气8温度、成分的不同，可以主动调节二次流7工质的状态，进而有效控制主流燃气8对导流器的烧蚀。通过改变二次流7工质的状态也能够调节发动机推力大小，实现发动机推力可控。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“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，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。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。