一种用于可渗透喷管渗透段处的气流控制阀

本发明属于航空航天，具体涉及一种用于可渗透喷管渗透段处的气流控制阀。

背景技术：

1、火箭发动机喷管的高度非适应性损失是指由于喷管的设计无法完全适应不同高度下的背压变化而导致的能量损失，这一损失达到了发动机总能量损失的15％，严重限制了喷管的推力效率和性能。为了解决这一问题，科学界和工程界对高度补偿喷管进行了广泛研究和关注。高度补偿喷管的设计旨在实现推力性能损失的补偿，以提高火箭发动机的推力性能和工作效率。可渗透喷管是一种新型高度补偿喷管，具备无移动部件、连续高度补偿、流动自调节等特点。当飞行高度较低时，喷管壁面内外的压差较大，外界高压大气通过渗透段进入喷管内部，提高喷管内壁面压强，减缓或改善大扩张比喷管内部过膨胀现象，从而提高发动机推力。喷管内外气体压差随着飞行高度变化而变化，但可渗透喷管始终通过压差调节喷管内壁面压强，从而改变喷管内部流场结构，实现喷管内流动状态与飞行高度的匹配。可渗透喷管利用这种自适应调节机理获得连续的高度补偿能力。当飞行高度超过一定高度时，外界大气压强小于可渗透喷管内压强，喷管内会有少量燃气泄出，从而对喷管的高空推力造成负面影响。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决可渗透喷管高空时，喷管内会有少量燃气泄出，导致高空推力性能较差的问题，提供一种用于可渗透喷管渗透段处的气流控制阀，该气流控制阀的设置使可渗透喷管在高空飞行工况下能够封闭渗透段的小孔，提高可渗透喷管的高空性能，增大可渗透喷管的有效工作空域。这一创新设计旨在有效控制气流，提高可渗透喷管的推力性能和工作效率。通过该气流控制阀，可以更精确地调节背压变化对喷管推力性能的影响，从而减少能量损失，提升发动机的整体性能。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种用于可渗透喷管渗透段处的气流控制阀，所述气流控制阀为矩形，阀门面积略大于可渗透喷管渗透段处小孔，可渗透喷管的每个小孔在内壁面处都配备有气流控制阀，在阀门的一端通过合页与小孔上游位置(喷管出口到喷管喉口为上游方向)处的喷管内壁连接，旨在有效地控制喷管渗透段处燃气的流动。对于阀门结构，除了可以用合页链接之外，还可以使用升降式链接等方案，保证阀门气动开启、启动自锁。

4、进一步地，在设计渗透喷管的小孔时，可采用圆形或方形等不同的几何形状。为适应不同的流体动力学需求，小孔也可以采用变直径的形式。阀门的设计应根据小孔的几何特征进行调整，以确保在阀门关闭时能够有效地密封孔道。

5、进一步地，所述小孔具有圆周对称性，分布为均匀或沿轴向呈疏密不均。

6、进一步地，所述阀门的材料应选择耐高温、具有一定强度的金属材料或复合材料。

7、进一步地，所述复合材料为镍基高温合金、不锈钢、碳-碳复合材料或陶瓷基复合材料中的一种。镍基合金价格相对低廉、机械加工性良好、结构稳定性较好，可保证阀门既能耐高温又不易变形。

8、进一步地，在实际工程应用中，渗透段的长度需要根据目标性能进行优化调整。为了确保渗透喷管具有高度的补偿能力，渗透段的起点应设置在发动机在地面工况下的最佳扩张比位置之后。通过合理设计渗透段的起点，可以根据目标发动机的燃烧室条件和工况，实现在任意飞行高度下的最佳性能。

9、当飞行器在低空飞行时，环境压力大于喷管内壁压力，外界大气流入喷管内部，在压差作用下推动阀门通过合页转动打开，实现推力补偿作用。当飞行器向高处飞行至外界压力大于喷管内壁面压力时，喷管内部的高温高压燃气与阀门接触，在燃气的推力作用下，阀门向喷管外壁方向转动，由于阀门面积略大于小孔面积，当阀门表面与喷管内壁完全接触后，即使燃气持续施加推力，阀门也将无法再继续转动，小孔将被完全密封，有效阻挡燃气外泄，减小高空推力损失。当飞行器下降至较低飞行高度时，外界大气压力升高至超过喷管内压时，大气压力则会反过来作用于阀门，使其重新开启，小孔恢复开放状态，保证了可渗透喷管在低空的正常推力补偿性能。

10、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

11、1.高空性能优化：与现有的可渗透喷管相比，采用该气流控制阀的可渗透喷管能够在高空飞行工况下封闭渗透段，阻止燃气的外泄，抑制了渗透段起点的激波，避免了高空性能损失。相比于无该结构的可渗透喷管，使用气流控制阀的可渗透喷管具有更优秀的高空飞行能力，提高了整体的飞行性能和效率。以工作压强6mpa、扩张比为60的喷管为例，使用该技术后，30km范围内的发动机全弹道性能可提高3％，若对渗透结构进行优化，如渗透段长度、渗透段结构形式、渗透段阻力系数等，该提升效益还可以进一步提高。

12、2.全弹道性能提升：使用气流控制阀的高空小孔封闭技术在不影响可渗透喷管原本的低空推力补偿性能的同时提高了其高空性能。因此气流控制阀可以使可渗透喷管适应不同的飞行状态和工况，提高了喷管的适应性和灵活性，增强了飞行器的整体控制能力。

13、3.可自适应调节的被动控制技术：气流控制阀的开合完全由喷管内外压差所驱动，不需要额外的控制系统或执行机构，结构简单、成本低廉；阀门开合的个数由喷管内气流膨胀程度决定，膨胀程度越大，闭合面积越大，渗透段气流可通过的面积越小，因此实现了自适应调节的被动控制。

14、4.气动自锁功能：气流控制阀的动态响应完全依从内外气流状态的变化，当内外压差达到临界值时，阀门即可自动开合，无需任何机械联动。这种气动自锁机制可靠性高，避免了复杂的执行机构和控制系统。

15、5.可重复使用：在高空时，气流控制阀依靠燃气的压力封闭小孔；当飞行器返回低空工况时，随着外界压力的升高，阀门自动打开，小孔重新开放。这种被动自适应设计赋予了气流控制阀极佳的可重复使用能力，可多次循环使用，延长了使用寿命。

16、6.维修便利：气流控制阀由大量独立的小型阀门组成，每个阀门对应一个小孔。当飞行器完成任务返回地面后，工作人员可以检查各个阀门是否完好。若有损坏，只需单独维修或更换受损的阀门，无需对整个结构进行维修，缩减了维修周期和成本。

17、综上，本发明可以实现渗透段处气流单向流动的气流控制阀灵活可靠，同时，整个阀门开合过程完全由内外气流压差的大小和方向自主决定，不需要额外的执行机构，实现了被动自适应调节，具有结构简单、可靠性高的优点。

技术特征：

1.一种用于可渗透喷管渗透段处的气流控制阀，其特征在于：所述气流控制阀为矩形，阀门面积略大于可渗透喷管渗透段处小孔，可渗透喷管的每个小孔在内壁面处都配备有气流控制阀，在阀门的一端通过合页与小孔上游位置(喷管出口到喷管喉口为上游方向)处的喷管内壁连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于可渗透喷管渗透段处的气流控制阀，其特征在于：阀门的设计应根据小孔的几何特征进行调整，以确保在阀门关闭时能够有效地密封孔道。

3.根据权利要求1所述的一种用于可渗透喷管渗透段处的气流控制阀，其特征在于：所述小孔具有圆周对称性，分布为均匀或沿轴向呈疏密不均。

4.根据权利要求1所述的一种用于可渗透喷管渗透段处的气流控制阀，其特征在于：所述阀门的材料应选择耐高温、具有一定强度的金属材料或复合材料。

5.根据权利要求4所述的一种用于可渗透喷管渗透段处的气流控制阀，其特征在于：所述复合材料为镍基高温合金、不锈钢、碳-碳复合材料或陶瓷基复合材料中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种用于可渗透喷管渗透段处的气流控制阀，其特征在于：渗透段的起点应设置在发动机在地面工况下的最佳扩张比位置之后。

技术总结一种用于可渗透喷管渗透段处的气流控制阀，属于航空航天技术领域。所述气流控制阀为矩形，阀门面积略大于可渗透喷管渗透段处小孔，可渗透喷管的每个小孔在内壁面处都配备有气流控制阀，在阀门的一端通过合页与小孔上游位置(喷管出口到喷管喉口为上游方向)处的喷管内壁连接。本发明可以实现渗透段处气流单向流动的气流控制阀灵活可靠，同时，整个阀门开合过程完全由内外气流压差的大小和方向自主决定，不需要额外的执行机构，实现了被动自适应调节，具有结构简单、可靠性高的优点。技术研发人员：关奔,王建国,薛玉琴,布宇哲,邓志伟,靳雨祺,王革,程立,张普受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23