一种级间分离反推火箭喷管及其设计方法与流程

本申请涉及航空航天，尤其涉及一种级间分离反推火箭喷管及其设计方法。

背景技术：

1、运载火箭芯级分离依靠反推火箭作为动力，反推火箭沿舱段外部环向固定数个，运载火箭分离命令发出后，级间连接爆炸螺栓起爆，解除锁紧固定，反推火箭点火产生推力，下方芯级残骸在反推火箭作用下脱离主箭。

2、喷管是固体发动机的能量转换装置，主要功能为通过喷管喉部面积控制燃气的质量流率，使固体发动机的燃烧室内的燃气压强保持在预定水平，并确保装药的正常燃烧，使推进剂燃烧产物膨胀加速，将其热能充分转换为燃气的动能，通过燃气的高速喷出获得反作用推力。但是反推火箭工作时会通过喷管喷射出尾焰，尾焰会冲刷箭体，从而对箭体产生了影响。

3、因此，如何避免反推火箭喷射出的尾焰冲刷箭体，从而避免对箭体产生影响，是本领域技术人员目前急需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本申请提供了一种级间分离反推火箭喷管及其设计方法，以避免反推火箭喷射出的尾焰冲刷箭体，从而避免对箭体产生影响。

2、为解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：

3、一种级间分离反推火箭喷管，包括：喷管壳体、收敛段绝热层、堵盖、喉衬和扩张段绝热层；喷管壳体沿着气流喷出方向依次为喷管壳体接口段、喷管壳体收敛段、喷管壳体喉段和喷管壳体扩张段；收敛段绝热层固定于喷管壳体接口段和喷管壳体收敛段的内壁；扩张段绝热层固定于喷管壳体扩张段的内壁；喉衬固定于收敛段绝热层的内壁，且位于喷管壳体喉段处；堵盖粘接固定至喉衬的上游，且封堵喉衬；喷管壳体接口段用于与反推火箭燃烧室的出口对接固定；其中，喷管壳体收敛段的形状为球形，并且喷管壳体接口段和反推火箭燃烧室同轴，其轴线为a；喷管壳体喉段和喷管壳体扩张段同轴，其轴线为b；轴线a与轴线b之间具有预定的夹角；且轴线a与轴线b的交点o与喷管壳体收敛段的球心重合。

4、如上所述的级间分离反推火箭喷管，其中，优选的是，喷管壳体接口段向外延伸有连接翼，连接翼上开设有贯通的箭体安装孔，通过箭体安装孔实现喷管壳体与反推火箭的固定连接。

5、如上所述的级间分离反推火箭喷管，其中，优选的是，扩张段绝热层通过销钉固定至喷管壳体扩张段的内壁。

6、如上所述的级间分离反推火箭喷管，其中，优选的是，喷管壳体收敛段的实际壁厚c是在其理论壁厚δs的基础上增加预定值得到的，喷管壳体收敛段的理论壁厚δs是根据球形封头壁厚计算方法计算得到的；喷管壳体喉段的实际壁厚d是在其理论壁厚δh的基础上增加预定值得到的，喷管壳体喉段的理论壁厚δh是根据筒段壁厚计算方法计算得到的；喷管壳体扩张段的实际壁厚e是在其理论壁厚δk的基础上增加预定值得到的，喷管壳体扩张段的理论壁厚δk是根据压力容器锥壳厚度计算方法计算得到的。

7、如上所述的级间分离反推火箭喷管，其中，优选的是，其内型面沿着气流喷出方向依次为喷管收敛段内型面、喷管喉段内型面和喷管扩张段内型面；其中，喷管收敛段内型面为内球面，该内球面的球心与喷管壳体收敛段的球心重合。

8、如上所述的级间分离反推火箭喷管，其中，优选的是，喷管扩张段内型面的任意一点的尺寸通过三次特性曲线方程y＝ax3+bx2+cx+d计算得到；其中，a、b、c、d通过以下公式计算得到：

9、d＝rt+rb-rbcosα

10、

11、其中，rt为喷管喉段内型面的喉部半径；rb为喷管喉段内型面的喉道下游圆弧的半径；α为喷管喉段内型面的初始扩张半角；β为喷管扩张段内型面的出口扩张半角；εn为喷管扩张比；re为喷管扩张段内型面的出口半径；rm为喷管特性曲线起点半径。

12、如上所述的级间分离反推火箭喷管，其中，优选的是，所述三次特性曲线方程的喷管扩张段内型面坐标系的原点是喉道下游圆弧的终点对应的轴心；从原点构建与轴线b重合的x轴，从原点构建与x轴垂直的y轴。

13、一种级间分离反推火箭喷管的设计方法，包括如下步骤：步骤s510、将喷管壳体收敛段的形状设置为球体，且将喷管壳体接口段和反推火箭燃烧室的轴线a与喷管壳体喉段和喷管壳体扩张段的轴线b之间设置预定的夹角，并且使轴线a与轴线b的交点o与喷管壳体收敛段的球心重合；步骤s520、计算喷管壳体收敛段、喷管壳体喉段和喷管壳体扩张段的理论壁厚，并且在各自理论壁厚的基础上各自增加预定的值得到各自的实际壁厚；步骤s530、将喷管收敛段内型面设置为内球面，且使该内球面的球心与喷管壳体收敛段的球心重合；步骤s540、计算级间分离反推火箭喷管的内型面的尺寸，从而完成级间分离反推火箭喷管的设计。

14、如上所述的级间分离反推火箭喷管的设计方法，其中，优选的是，步骤s520包括如下子步骤：根据球形封头壁厚计算方法计算得到喷管壳体收敛段的理论壁厚δs，在理论壁厚δs的基础上增加预定值得到喷管壳体收敛段的实际壁厚c；根据筒段壁厚计算方法计算得到喷管壳体喉段的理论壁厚δh，在理论壁厚δh的基础上增加预定值得到喷管壳体喉段的实际壁厚d；根据压力容器锥壳厚度计算方法计算得到喷管壳体扩张段的理论壁厚δk，在理论壁厚δk的基础上增加预定值得到喷管壳体扩张段的实际壁厚e。

15、如上所述的级间分离反推火箭喷管的设计方法，其特征在于，步骤s540包括如下子步骤：以喉道下游圆弧的终点对应的轴心为喷管扩张段内型面的原点从原点构建与轴线b重合的x轴，从原点构建与x轴垂直的y轴，以构建坐标系；在构建的坐标系中构建喷管扩张段内型面的三次特性曲线方程y＝ax3+bx2+cx+d；

16、其中，a、b、c、d通过以下公式计算得到：

17、d＝rt+rb-rbcosα

18、

19、其中，rt为喷管喉段内型面的喉部半径；rb为喷管喉段内型面的喉道下游圆弧的半径；α为喷管喉段内型面的初始扩张半角；β为喷管扩张段内型面的出口扩张半角；εn为喷管扩张比；re为喷管扩张段内型面的出口半径；rm为喷管特性曲线起点半径；

20、通过喷管扩张段内型面的三次特性曲线方程计算得到喷管扩张段内型面的任意一点的尺寸。

21、相对上述背景技术，本申请通过斜置预定的角度能够避免反推火箭工作时燃气对箭体冲刷产生烧蚀，并且通过双轴交点与球心重合能够保证喷管整体为拥有两个旋转轴的回转体，这样使用数控车床和四轴加工中心即能完成生产，降低了喷管的生产难度，同时也降低了成本，并且这样的设计同时也能够随总体偏置角度要求来进行灵活调整；另外，通过特型扩张段设计，保证喷管内型面平滑过渡，能够有效避免喷管内出现异常烧蚀，同时提高喷管的工作效率，综合提升喷管的性能、降低成本，并且该型面相较于常规锥形喷管更加贴近燃气膨胀规律，同时能够缩短喷管扩张段长度，减小重量。

技术特征：

1.一种级间分离反推火箭喷管，其特征在于，包括：喷管壳体、收敛段绝热层、堵盖、喉衬和扩张段绝热层；喷管壳体沿着气流喷出方向依次为喷管壳体接口段、喷管壳体收敛段、喷管壳体喉段和喷管壳体扩张段；收敛段绝热层固定于喷管壳体接口段和喷管壳体收敛段的内壁；扩张段绝热层固定于喷管壳体扩张段的内壁；喉衬固定于收敛段绝热层的内壁，且位于喷管壳体喉段处；堵盖粘接固定至喉衬的上游，且封堵喉衬；喷管壳体接口段用于与反推火箭燃烧室的出口对接固定；

2.根据权利要求2所述的级间分离反推火箭喷管，其特征在于，喷管壳体接口段向外延伸有连接翼，连接翼上开设有贯通的箭体安装孔，通过箭体安装孔实现喷管壳体与反推火箭的固定连接。

3.根据权利要求1或2所述的级间分离反推火箭喷管，其特征在于，扩张段绝热层通过销钉固定至喷管壳体扩张段的内壁。

4.根据权利要求1或2所述的级间分离反推火箭喷管，其特征在于，喷管壳体收敛段的实际壁厚c是在其理论壁厚δs的基础上增加预定值得到的，喷管壳体收敛段的理论壁厚δs是根据球形封头壁厚计算方法计算得到的；

5.根据权利要求1或2所述的级间分离反推火箭喷管，其特征在于，其内型面沿着气流喷出方向依次为喷管收敛段内型面、喷管喉段内型面和喷管扩张段内型面；其中，喷管收敛段内型面为内球面，该内球面的球心与喷管壳体收敛段的球心重合。

6.根据权利要求5所述的级间分离反推火箭喷管，其特征在于，喷管扩张段内型面的任意一点的尺寸通过三次特性曲线方程y＝ax3+bx2+cx+d计算得到；

7.根据权利要求6所述的级间分离反推火箭喷管，其特征在于，所述三次特性曲线方程的喷管扩张段内型面坐标系的原点是喉道下游圆弧的终点对应的轴心；

8.一种级间分离反推火箭喷管的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的级间分离反推火箭喷管的设计方法，其特征在于，步骤s520包括如下子步骤：

10.根据权利要求8或9所述的级间分离反推火箭喷管的设计方法，其特征在于，步骤s540包括如下子步骤：

技术总结本申请涉及航空航天技术领域，尤其涉及一种级间分离反推火箭喷管及其设计方法，喷管壳体收敛段的形状为球形，并且喷管壳体接口段和反推火箭燃烧室同轴，其轴线为A；喷管壳体喉段和喷管壳体扩张段同轴，其轴线为B；轴线A与轴线B之间具有预定的夹角；且轴线A与轴线B的交点O与喷管壳体收敛段的球心重合。本申请可以避免反推火箭喷射出的尾焰冲刷箭体，从而避免对箭体产生影响。技术研发人员：付继川,刘永康,郑才浪,金蔚,赖谋荣,汤浩,于林友,赵海艳受保护的技术使用者：北京中科宇航技术有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/26