CN105003359A - 一种基于智能复合材料的可变形摆动喷管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能复合材料的可变形摆动喷管，由双孔耳片、驱动杆、固定体、摆动喷管和发动机壳体组成。固定体与发动机壳体连接，固定体位于固体发动机的后端部，并采用多根驱动杆作为摆动喷管的支撑件，多个双孔耳片分别沿固定体内壁面下部和喷管外壁上端部周向等角度分布固连,驱动杆一端与固定体内壁面上的双孔耳片连接，驱动杆另一端与喷管外壁上的双孔耳片连接，多根驱动杆周向分布相互配合实现喷管的饶轴摆动。通过驱动杆的伸缩控制，实现对发动机摆动喷管的精确控制，为飞行器的姿态控制提供矢量推力控制方式；通过喷管型面的不同高度的适应性变形，提高了发动机的燃烧效率，进而实现飞行器的整体优化。

Description

一种基于智能复合材料的可变形摆动喷管

技术领域

本发明涉及一种固体火箭发动机喷管，具体地说，涉及一种基于智能复合材料的可变形摆动的柔性喷管，属航空航天动力应用技术领域。

背景技术

现有公开的技术文献《塞式喷管设计和性能验证》(空气动力学学报,2008年6月第二期)中，提到一种塞式喷管,这种喷管燃气外侧与大气相通，可随外界的反压变化自动调节膨胀，使燃气在不同高度均处于完全膨胀状态，从而具有连续的高度补偿能力，相比于钟型喷管，在低于设计高度时仍具有高性能。该文献还提到对于燃烧效率较高的瓦状塞式喷管,其内喷管是轴对称钟型喷管。文献《塞式喷管设计和性能验证》中提到的塞式喷管，通过自身的膨胀调节可实现不同高度的完全膨胀，大大提高了发动机的推力性能，文献中亦对塞锥型面喷管进行了设计和优化。但文献中同时提到了塞式喷管自从提出以来，更多的是处于试验和验证阶段，并未进行实际的安装应用。

在文献《固体火箭发动机喷管的设计与性能仿真》(西安电子科技大学,2012年硕士学位论文)中,提到相对于加工方便的锥形喷管。常用钟型喷管的燃烧效率更高，且80％的钟型喷管比同样面积比的15°锥形喷管短20％，而现在亦被采用的抛物线法设计的特型喷管更能提高发动机的推力，在远程火箭和航空火箭上被广泛使用。实验证明，在其它条件相同的情况下，特型喷管可使发动机的推力提高3.07％。文献《固体火箭发动机喷管的设计与性能仿真》中提到柔性喷管具有良好的工作特性和可靠性，因而被广泛应用。柔性喷管可实现全轴摆动且摆动性能重复性较好，能满足大侧向力的要求；摆动时流场干扰小，推力损失小；固有频率高，能适应快速响应的要求；结构简单工艺性好。

发明内容

本发明的目的是:基于智能复合材料可实现的记忆、感知、驱动和控制功能，实现发动机喷管的可控摆动柔性变形；通过驱动杆的伸缩控制，实现对摆动喷管的精确控制，为飞行器的姿态控制提供矢量推力控制方式；通过喷管型面的不同高度的适应性变形，提高其发动机的燃烧效率，进而实现飞行器的整体优化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种基于智能复合材料的可变形摆动喷管，包括发动机壳体、多个双孔耳片、多根驱动杆、固定体、摆动喷管,固定体位于固体发动机的后部，且与发动机壳体固连，其特征在于采用多根驱动杆作为摆动喷管的支撑件，多根驱动杆周向分布相互配合实现喷管的饶轴摆动，摆动喷管的摆动角度为与轴线间的夹角0～15度；所述驱动杆为液压驱动、伸缩自动可调，驱动杆两圆柱端有径向通孔；所述双孔耳片为U形结构，耳片上端部各有直径相等的通孔，多个双孔耳片分别沿固定体内壁面下部和喷管外壁上部周向等角度分布固连，固定体内壁面下部的双孔耳片与喷管外壁上部的双孔耳片数量相等，且固定体内壁面下部的双孔耳片与喷管外壁面上部的双孔耳片相对应，驱动杆一端与固定体内壁面下部双孔耳片连接，驱动杆另一端与喷管外壁上部的双孔耳片连接，实现整个摆动喷管结构间力的承受和传递。

所述驱动杆为4～8个的任意一种。

所述驱动杆、摆动喷管采用智能形状记忆合金材料。

有益效果

本发明提出的一种基于智能复合材料的可变形摆动喷管，针对固体火箭发动机,利用智能复合材料可实现的记忆、感知、驱动和控制功能，通过驱动杆的伸缩控制，实现对发动机喷管的精确控制可控摆动变形，实现对整个飞行器姿态的推力矢量控制和大幅度提升发动机的燃烧效率。由于摆动喷管可变，在低高度时，不必通过增加喷管长度实现喷管内外流的完全膨胀，起到补偿药柱长度和燃烧室空间的作用，进而实现整体优化。

本发明基于智能复合材料的可变形摆动喷管，是基于智能复合材料的功能特性。摆动机构结构简单，工作可靠性高，主要作用部件是智能复材制成的轴向可控伸缩驱动杆。驱动杆沿喷管周向均布，根据推力矢量的要求可布置4～8个驱动杆，通过不同点的驱动杆伸缩协调工作，传递力到喷管上，实现喷管的高精度可控摆动。摆动喷管的主要特点是智能复合材料的记忆、感知、驱动和控制功能，通过实验设计喷管型面可变形，在实际飞行中加以控制应用，即可实现喷管内外流的理想膨胀，达到喷射效率最高。基于智能复合材料的可变形摆动喷管，不但可实现发动机性能提升，更能方便的进行飞行器的推力矢量控制。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种基于智能复合材料的可变形摆动喷管作进一步详细说明。

图1为本发明可变形摆动喷管结构示意图。

图2为本发明可变形摆动喷管的驱动杆示意图。

图3为本发明的喷管示意图。

图4为本发明的喷管二维型面图。

图5为本发明第一阶段变形特形摆动喷管。

图6为本发明中特形喷管的二维型面图。

图7为本发明第二阶段变形钟型摆动喷管。

图8为本发明中钟型喷管的二维型面图。

图中:

1.固定体  2.双孔耳片  3.驱动杆  4.摆动喷管

具体实施方式

本实施例是一种基于智能复合材料的可变形摆动喷管。摆动喷管通过驱动杆的伸缩控制，实现对发动机喷管的精确控制摆动变形；既能实现对整个飞行器姿态的推力矢量控制，又可大幅度提升发动机的工作效率。

参阅图1～图4，本实施例基于智能复合材料的可变形摆动喷管，由多个双孔耳片2、多根驱动杆3、固定体1、摆动喷管4和发动机壳体组成,固定体1位于固体发动机的后部，且与发动机壳体固定连接；与发动机壳固定连接的固定体1属于发动机的重要组成部分，其为喷管的摆动提供可靠的外力支承。

本实施例中，采用多根驱动杆3作为摆动喷管4的支撑件，多根驱动杆周向均布相互配合实现喷管的饶轴摆动。摆动喷管4的摆动角度为与轴线间的夹角0～15度。驱动杆3为液压驱动、伸缩自动可调结构,驱动杆两圆柱端部有径向通孔,驱动杆3一端与固定体1内壁面下部双孔耳片2连接，驱动杆3另一端与摆动喷管4外壁面上的双孔耳片2连接。驱动杆3采用智能形状记忆合金材料加工，受控制器件控制，伸长或缩短，从而产生推力或拉力。驱动杆3结构简单，驱动杆3沿喷管周向布置为4-8个。驱动杆3通过液压驱动伸缩长短，协调工作，可实现喷管的XZ和YZ平面内的绕轴线转动，同时限制喷管不能在Z方向上下窜动。

双孔耳片2为U形结构，耳片上端部各有直径大小相等的通孔，多个双孔耳片2分别沿固定体1内壁面下部和摆动喷管4外壁面上部周向等角度分布固定连接,固定体1内壁面上的双孔耳片2与摆动喷管4外壁面上的双孔耳片2数量相等，且固定体1内壁面上的双孔耳片2与摆动喷管4外壁面上的双孔耳片2相对应,驱动杆3两端分别与固定体1内壁面上的双孔耳片2和摆动喷管4外壁面上的双孔耳片2通过螺栓相连接，实现整个摆动喷管结构间力的承受和传递。摆动喷管、双孔耳片采用智能复合材料加工。

摆动喷管是由智能复合材料加工制成的可变型面喷管。根据发动机所服务的飞行器的飞行空域的高度变化，通过不同的飞行环境模拟实验；首先进行地面的流场模拟实验，构造出可实现发动机高效工作的喷管二维型面变形方案，在其实际飞行过程中，根据已有方案实现喷管变形，达到设计要求，提高发动机的燃烧效率。可变形的优势还在于在总长不变的情况下，可用喷管的部分长度来补偿药柱的长度和燃烧室空间。

如图5～图8所示,喷管未变形前采用锥形型面设计，该型面结构简单，加工和安装方便。锥形型面的二维设计是根据流场的模拟计算得到的结果，具体设计需根据飞行器对发动机的要求而定，其二维型面设计曲线满足方程:y＝kx。

根据飞行器所处的不同高度，进行喷管型面的变形设计，本设计共提供了三种型面方案可供选择，除了初始的锥形型面，还有钟形型面，满足方程:y＝e^(-x^2)和特型型面，满足方程:y＝ax²+bx+c，不同的曲面设计在保证发动机的高工作效率的同时实现总长度不变情况下的发动机优化。

Claims (3)

1.一种基于智能复合材料的可变形摆动喷管，包括发动机壳体、多个双孔耳片、多根驱动杆、固定体、摆动喷管,固定体位于固体发动机的后部，且与发动机壳体固连，其特征在于:采用多根驱动杆作为摆动喷管的支撑件，多根驱动杆周向分布相互配合实现喷管的饶轴摆动，摆动喷管的摆动角度为与轴线间的夹角0～15度；所述驱动杆为液压驱动、伸缩自动可调，驱动杆两圆柱端有径向通孔；所述双孔耳片为U形结构，耳片上端部各有直径相等的通孔，多个双孔耳片分别沿固定体内壁面下部和喷管外壁上部周向等角度分布固连，固定体内壁面下部的双孔耳片与喷管外壁上部的双孔耳片数量相等，且固定体内壁面下部的双孔耳片与喷管外壁面上部的双孔耳片相对应，驱动杆一端与固定体内壁面下部双孔耳片连接，驱动杆另一端与喷管外壁上部的双孔耳片连接，实现整个摆动喷管结构间力的承受和传递。

2.根据权利要求1所述的基于智能复合材料的可变形摆动喷管，其特征在于:所述驱动杆为4～8个的任意一种。

3.根据权利要求1所述的基于智能复合材料的可变形摆动喷管，其特征在于:所述驱动杆、摆动喷管采用智能形状记忆合金材料。