一种嵌有金属丝的固体火箭发动机药柱及其应用

本发明涉及固体火箭发动机的，尤其是涉及一种嵌有金属丝的固体火箭发动机药柱及其应用。

背景技术：

1、固体火箭发动机作为导弹武器装备的动力源，直接决定了导弹武器远程投送、机动突防的能力，是武器装备作战效能发挥的前提和基础，更是推动导弹武器升级换代的核心技术。与此同时，随着太空探索与商业航天的快速发展，固体火箭发动机也逐步应用于航天运载与固体助推领域。固体火箭发动机因其结构简单、反应快速、使用维护方便、可靠性高、成本低等优点在各类导弹武器中得到了广泛应用，但相比其他动力系统，固体火箭发动机的推力可控性差，极大地制约了导弹武器的性能。推力控制技术能够根据导弹需要实时调节推力的大小或方向，更合理地分配推进剂能量，从而提高导弹的射程、速度、机动性和突防能力，是未来导弹动力系统的一个重要发展趋势。

2、目前的固体火箭发动机变推力技术主要有多脉冲固体药柱、调节喷管喉部面积技术、推力矢量控制技术、直接侧向力控制技术。

3、1、多脉冲固体火箭发动机技术方案有隔断式、阻燃式、和延燃式三种。隔断式方案是在一个壳体内用隔板隔成两个独立舱段，共用一个喷管，这种方案主要有两种结构形式：隔板式和隔层式。阻燃式方案是在发动机中依靠某些技术实现快速熄火、快速点火，从而控制发动机两次启动，主要有降压熄火式、液体阻燃剂熄火式、固体阻燃剂熄火式。延燃室方案是在一个燃烧室内，装药中夹进延期药，延期药肉厚根据延期时间来定，常用的也是较简单的装药形式是端燃柱装药。这种技术缺点在于使用额外的隔板或阻燃剂，增加了发动机消极质量，减少了发动机总冲量，影响发动机性能参数，工作可靠性也较低。

4、2、调节喷管喉部面积技术，该方案由安装在燃烧室支承套内的液压驱动喉栓来完成喉栓根据指令沿着发动机中心线作前后移动使喷管喉部面积发生变化，从而改变推力大小。优点在于其推力调节范围大，推力调节比至少为10甚至可达100。缺点在于系统较复杂，推力调节系统轻质化小型化技术、动密封结构及长时间热防护技术、快速精确闭环控制技术等技术都有待攻克，还将会带来喉栓的烧蚀问题。技术难度较高，国内对喉栓发动机的研究处于起步阶段，对气动控制系统的原理性研究主要是通过实验和流场仿真来分析压强响应过程。

5、3、推力矢量控制技术推力矢量控制技术是通过控制发动机推力相对于弹轴方向偏移来产生导弹机动飞行所需控制力矩的技术。推力矢量控制技术按工作原理分为机械式和流体二次喷射。机械式推力矢量控制技术主要有燃气舵、扰流片和摆动喷管等。优点在于联动性好，结构简单、可提供滚转力矩；缺点在于轴向推力损失较大，会造成性能下降，燃气舵处在高温燃气中，烧蚀情况严重。

6、4、直接侧向力控制技术为多个小型脉冲发动机，优点具有结构简单、安全性高、性能好、体积小、贮存周期长、维护使用方便等特点，缺点在于需要设置额外的小型发动机，系统结构复杂。

7、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种嵌有金属丝的固体火箭发动机药柱。所述固体火箭发动机药柱基于金属丝的燃速提高技术和基于燃速降速剂的燃速降低技术，通过分层装药来实现可变推力。

2、本发明的目的之二在于提供一种所述的嵌有金属丝的固体火箭发动机药柱在调节固体火箭发动机的燃速中的应用。

3、本发明的目的之三在于提供一种固体火箭发动机，所述固体火箭发动机包括燃烧室，所述燃烧室包括壳体、外绝热层、内绝热层和药柱；其中，所述外绝热层设置于壳体的外表面，所述内绝热层设置于壳体的内表面，所述药柱填充于内绝热层内；且所述药柱为上述的嵌有金属丝的固体火箭发动机药柱。

4、为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

5、第一方面，本发明提供一种嵌有金属丝的固体火箭发动机药柱，所述嵌有金属丝的固体火箭发动机药柱为具有圆柱结构的药柱本体。

6、其中，所述药柱本体中包含燃速降速剂，且药柱本体间还嵌有金属丝。

7、在本发明中，使用基于金属丝的燃速提高技术和基于燃速降速剂的燃速降低技术，通过分层装药来实现可变推力。即通过添加金属丝可以来实现燃速的增强，使用燃速降速剂来降低固体火箭发动机的燃速，分层添加燃速降速剂和金属丝的办法来实现可变推力。

8、在本发明中，还可通过添加不同金属丝和燃速降速剂的方式将药柱分为不同燃速的多层，设定各层燃速及推力并调节间隔时间，通过对推进剂的能量管理，提高导弹的射程、机动性、拦截能力及作战能力。通过调整发动机推力的作用时间，可以优化导弹飞行过程中的加减速过程，从而避免阻力等因素导致的能量损失，提高能量的利用效率。此外，通过控制后续发动机推力的作用时间，可以改变导弹的弹道特性，以满足特殊的弹道要求，例如更高的打击高度、更大的打击速度以及在打击目标前进行变速飞行等，末速度可提高20％，射程可增大20％～30％。

9、优选地，所述药柱本体包括含有燃速降速剂的药柱本体层，以及嵌有金属丝的药柱本体层。

10、优选地，在所述含有燃速降速剂的药柱本体层中，所述药柱本体的内径和外径之比为0.2～0.4，例如可以是0.2、0.22、0.24、0.26、0.28、0.3、0.32、0.34、0.36、0.38、0.4等。

11、优选地，在所述含有燃速降速剂的药柱本体层中，所述药柱本体的长度和外径之比为3～10，例如可以是3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10等。

12、优选地，在所述含有燃速降速剂的药柱本体层中，所述燃速降速剂为该层药柱本体的质量的0.05～5％，例如可以是0.05％、0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.8％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％等。

13、优选地，所述燃速降速剂选自碳酸盐、氟化物、氨盐、胺类化合物、铵盐、季铵盐或蔗糖八乙酸酯中的任意一种或至少两种的组合。

14、优选地，所述碳酸盐选自caco3和/或srco3。

15、优选地，所述氟化物选自lif。

16、优选地，所述氨盐选自nh4f、(nh4)2bf、nh4pf6、(nh4)2sif6或(nh4)2hpo4中的任意一种或至少两的组合。

17、优选地，所述胺类化合物选自尿素、草酰胺、草酰胺或双氰胺中的任意一种或至少两的组合。

18、优选地，所述铵盐选自草酸铵。

19、优选地，所述季铵盐选自四乙基氯化铵、四乙基四氟硼酸胺、苯扎氯铵或高氯酸季铵盐中的任意一种或至少两种的组合。

20、优选地，所述燃速降速剂为srco3和铵盐的组合。

21、优选地，所述srco3和铵盐的质量比为5:1～1:5，例如可以是5:1、5:2、5:3、5:4、1:1、1:2、1:3、1:4、1:5等。

22、优选地，当所述固体火箭发动机燃料选自端羟基聚丁二烯时，所述燃速降速剂选自碳酸盐、氟化物、草酰胺或尿素中的任意一种或至少两的组合。

23、优选地，当所述固体火箭发动机燃料选自高氯酸铵时，所述燃速降速剂选自氨盐、胺类化合物、铵盐或季铵盐中的任意一种或至少两的组合。

24、优选地，在所述嵌有金属丝的药柱本体层中，所述药柱本体的内径和外径之比为0.2～0.4，例如可以是0.2、0.22、0.24、0.26、0.28、0.3、0.32、0.34、0.36、0.38、0.4等。

25、优选地，在所述嵌有金属丝的药柱本体层中，所述药柱本体的长度和外径之比为3～10，例如可以是3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10等。

26、在本发明中，采用添加金属丝的方式控制药柱内部导热过程，金属丝在发动机工作过程中也可参与燃烧，能提高比冲；且本发明通过调整金属丝或金属纤维的种类、数量、粗细和分布等参数实现对药柱燃速的增强和精确控制。另一方面，金属丝能显著提高固体火箭发动机燃料的力学特性，增加药柱的抗拉强度和刚度，能够保持药柱形状。在推进剂中混入金属丝，可显著提高推进剂的燃烧速度，可以达到原来的2～5倍，甚至更高。可以实现对固体火箭发动机性能的优化和提升。即嵌有金属丝的药柱本体层的应用不仅提高了药柱的燃烧性能和力学特性，还为实现精确控制火箭发动机的燃速提供了新的途径。

27、更近一步地，使用嵌有金属丝的药柱本体层的作用有以下几个方面。1、金属丝的能量密度很高，金属丝自身的燃烧可以释放出大量的热，可以增加燃烧温度和燃烧效率，提高能量释放的大小，提供飞行器起飞阶段所需的高燃速和大推力。2、利用金属丝良好的导热性，在固体火箭发动机的药柱中可以起到传导热量的作用。药柱的燃烧过程中，金属丝自身燃烧所释放的热量，依靠金属丝良好的导热能力对固相中传热，使得固相中和金属丝相邻的药柱地方会吸收到更多的热量，形成一个金属丝加热区。增强了气相燃烧区对固相的传热，从而增加燃速。3、金属丝的力学性能很好，可以有效支撑燃料，增加药柱的抗拉强度和刚度，能够保持药柱在燃烧过程中的完整性，防止发生脱落从而影响内弹道性能。

28、优选地，所述金属丝的材质选自银、铜、钨、铝、铂、镁、康铜或钢中的任意一种或至少两种的组合。

29、优选地，所述钢选自为304、316、45号钢、4146合金钢或gh3030中的任意一种。

30、在本发明中，金属丝通常上述可燃金属制成。而金属的导热性能，熔点，金属丝的直径和长度、排布方式或密度均对燃速增强产生不同的影响。通过使用不同尺寸(长度、直径)的金属丝以及使用不同排布方式、排布角度、排布密度的金属丝可以对药柱的燃速实现智能化控制。

31、其中，金属丝的性能参数和燃速增大倍数如下表1所示：

32、表1

33、

34、如上表1所示，金属丝材料可以采用银、铜、钨、铂、铝、镁、康铜、钢材料，影响燃速增大倍数的主要是金属丝的导热性能，即热扩散系数a。银的a最大，其使燃速增大的幅度也最大。其次，金属熔点的高低也有显著影响。熔点愈高，金属丝在高温燃气中保留的长度愈长，可以吸收多的热量进入金属丝，有利于燃速的增大。以铜和铝相比，它们的a数值相差不大，但铜的熔点比铝高，燃速增大的倍数因而更大。

35、此外，为了同时提高金属丝的导热性和耐热性，可以采用双金属丝。一种金属丝导热性好，另一种熔点高，将两者结合在一起，嵌入推进剂中，可以使燃速有更大的增加。经过实验得到金属丝的燃速增强能力：银＞铜＞钨＞铝＞镁＞康铜＞钢。在需要力学特性和经济性要求下，可以使用钢丝；为了获得最大的燃速增加倍数时可以选用银丝或铜丝；而考虑综合性能通常选用铝丝和镁丝，并同时提高发动机性能和质量特性。

36、其中，金属丝直径对燃速的影响如下表2所示：

37、表2

38、

39、如上表2所示，金属丝的直径也影响燃速增大的倍数。对于燃速有一个最有利的直径，其燃速增大倍数最高。此外，随着压强增大，燃速增大倍数也略有增加。金属丝的直径一般选取为0.1～0.2mm，在此区间内的金属丝的燃速增强效果较好，而对能量特性几乎没有影响。

40、优选地，所述金属丝的直径为0.1～0.2mm，例如可以是0.1mm、0.12mm、0.14mm、0.16mm、0.18mm、0.2mm等。

41、优选地，所述金属丝的排布方式包括径向排布、随机嵌入、环形排布或网状交叉排布中的任意一种或至少两种的组合。

42、优选地，当所述金属丝的排布方式为径向排布时，所述嵌有金属丝的固体火箭发动机药柱的具体结构为：垂直于燃烧端面在药柱本体中沿着圆周方向均匀插入长条形金属丝。

43、当所述金属丝的排布方式为径向排布时，药柱的前后期都均匀增加燃速，并在金属丝周围形成一个锥形的燃速增强区。

44、优选地，所述长条形金属丝的长度与药柱本体的厚度之比为1:(1～5)，例如可以是1:1、1:1.5、1:2、1:2.5、1:3、1:3.5、1:4、1:4.5、1:5等。

45、优选地，所述长条形金属丝的长度为10～100mm，例如可以是10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、75mm、80mm、85mm、90mm、95mm、100mm等。

46、优选地，所述长条形金属丝的直径为0.1～0.2mm，例如可以是0.1mm、0.12mm、0.14mm、0.16mm、0.18mm、0.2mm等。

47、优选地，所述药柱本体中所插入相邻的两根长条形金属丝间形成的夹角为10～120°，例如可以是10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°、100°、110°、120°等。

48、优选地，所述长条形金属丝的根数为3～36根，例如可以是3根、4根、6根、8根、10根、12根、14根、16根、18根、20根、22根、24根、26根、28根、30根、32根、34根、36根等。

49、优选地，当所述金属丝的排布方式为随机嵌入时，所述嵌有金属丝的固体火箭发动机药柱的具体结构为：在药柱本体中随机分布有短条形金属丝。

50、当所述金属丝的排布方式为随机嵌入时，此种方案对力学性能增强效果较好，随机添加也可以均匀地在径向方向、周向方向均产生燃速增强效果，燃速增强和金属丝添加比例有关。

51、优选地，所述短条形金属丝的分布密度为1×105～3×106根/m3，例如可以是1×105根/m3、2×105根/m3、3×105根/m3、4×105根/m3、5×105根/m3、6×105根/m3、7×105根/m3、8×105根/m3、9×105根/m3、1×106根/m3、2×106根/m3、3×106根/m3等。

52、优选地，所述短条形金属丝为所述药柱本体的质量的1～30％，例如可以是1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、15％、20％、25％、30％等。

53、优选地，所述短条形金属丝的长度为1～3mm，例如可以是1mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm、2mm、2.2mm、2.4mm、2.6mm、2.8mm、3mm等。

54、优选地，所述短条形金属丝的直径为0.1～0.2mm，例如可以是0.1mm、0.12mm、0.14mm、0.16mm、0.18mm、0.2mm等。

55、优选地，当所述金属丝的排布方式为环形排布时，所述嵌有金属丝的固体火箭发动机药柱的具体结构为：在药柱本体中沿着圆周方向插入金属环。

56、当所述金属丝的排布方式为环形排布时，在燃烧到金属环时，环状的金属环会显著增加释放的热量，使药柱会有瞬时的燃速增强。

57、优选地，所述金属环的个数1～5个，例如可以是1个、2个、3个、4个、5个。

58、优选地，相邻金属环之间的距离与药柱本体的厚度之比为1:(1～5)，例如可以是1:1、1:1.5、1:2、1:2.5、1:3、1:3.5、1:4、1:4.5、1:5等。

59、优选地，所述金属环是由长条形金属丝围成的环形金属丝，且所述长条形金属丝的直径为0.1～0.2mm，例如可以是0.1mm、0.12mm、0.14mm、0.16mm、0.18mm、0.2mm等。

60、优选地，所述金属丝的排布方式为径向排布和环形排布的组合。

61、优选地，当所述金属丝的排布方式为网状交叉时，所述嵌有金属丝的固体火箭发动机药柱的具体结构为：在药柱本体中嵌有由金属丝交叉所形成的金属网。

62、当所述金属丝的排布方式为网状交叉时，此种方案对力学性能增强效果最好，显著提高固体火箭发动机药柱的力学特性，增加药柱的抗拉强度和刚度，能够保持药柱形状，金属丝增强燃速效果和网状金属丝的排布密度、夹角有关。

63、优选地，所述金属丝的直径为0.1～0.2mm，例如可以是0.1mm、0.12mm、0.14mm、0.16mm、0.18mm、0.2mm等。

64、优选地，相邻金属丝交叉角度为30～90°，例如可以是30°、32°、34°、36°、38°、40°、42°、44°、46°、48°、50°、52°、54°、56°、58°、60°、62°、64°、66°、68°、70°、72°、74°、76°、78°、80°、82°、84°、86°、88°、90°等。

65、优选地，所述金属网状结构中最小单位的网格面积为25～100mm2，例如可以是25mm2、30mm2、35mm2、40mm2、45mm2、50mm2、55mm2、60mm2、65mm2、70mm2、75mm2、80mm2、85mm2、90mm2、95mm2、100mm2等。

66、优选地，所述金属网状结构中网格的分布密度为1×104～4×104个/m2，例如可以是1×104个/m2、1.5×104个/m2、2×104个/m2、2.5×104个/m2、3×104个/m2、3.5×104个/m2、4×104个/m2等。

67、优选地，相邻金属丝之间的垂直间距为5～10mm，例如可以是5mm、5.5mm、6mm、6.5mm、7mm、7.5mm、8mm、8.5mm、9mm、9.5mm、10mm等。

68、优选地，所述金属丝的表面涂覆有增加燃速的涂层。

69、优选地，所述增加燃速的涂层的制备原料按质量百分含量计包括以下组分：

70、粘合剂4～5份、氧化剂45～59份、增塑剂11～12份、燃速调节剂0～15份、炸药18～35份、固化剂1～2份。

71、在本发明中，为了进一步提高燃速增大倍数，可以设法提高沿金属丝方向的燃速。有一种方案，就是在长金属丝的外表面涂以高燃速的化学涂层，依靠涂层的高燃速，使沿金属丝方向的燃速提高，从而提高燃速增大的倍数。

72、在所述增加燃速的涂层中，粘合剂的含量为4～5份，例如可以是4份、4.2份、4.4份、4.6份、4.8份、5份等。

73、在所述增加燃速的涂层中，氧化剂的含量为45～59份，例如可以是45份、46份、48份、50份、52份、54份、56份、58份、59份等。

74、在所述增加燃速的涂层中，增塑剂的含量为11～12份，例如可以是11份、11.2份、11.4份、11.6份、11.8份、12份等。

75、在所述增加燃速的涂层中，燃速调节剂的含量为0～15份，例如可以是0份、2份、4份、6份、8份、10份、12份、14份、15份等。

76、在所述增加燃速的涂层中，炸药的含量为18～35份，例如可以是18份、20份、22份、24份、26份、28份、30份、32份、34份、35份等。

77、在所述增加燃速的涂层中，固化剂的含量为1～2份，例如可以是1份、1.2份、1.4份、1.6份、1.8份、2份等。

78、优选地，所述粘合剂选自叠氮缩水甘油醚-四氢呋喃共聚醚和/或3,3双(叠氮甲基)环氧丁烷-四氢呋喃共聚醚。

79、优选地，所述氧化剂选自高氯酸铵、高氯酸钾、高氯酸钠、硝酸铵、硝酸钾或硝酸钠中的任意一种或至少两种的组合。

80、优选地，所述增塑剂选自硝化甘油、丁三醇三硝酸酯、三羟甲基乙烷三硝酸酯或二缩三乙二醇二硝酸酯中的任意一种或至少两种的组合。

81、优选地，所述燃速调节剂选自三氧化二铁、铬铜矿或碳黑中的任意一种或至少两种的组合。

82、优选地，所述炸药选自奥克托今、黑索今或六硝基六氮杂异伍尔兹烷中的任意一种或至少两种的组合。

83、优选地，所述固化剂为二异氰酸酯类固化剂。

84、优选地，所述二异氰酸酯类固化剂选自六次甲基二异氰酸酯和/或二聚脂肪酸二异氰酸酯。

85、第二方面，本发明提供一种所述的嵌有金属丝的固体火箭发动机药柱在调节固体火箭发动机的燃速中的应用。

86、第三方面，本发明提供一种所述固体火箭发动机包括燃烧室，所述燃烧室包括壳体、外绝热层、内绝热层和药柱。其中，所述外绝热层设置于壳体的外表面，所述内绝热层设置于壳体的内表面，所述药柱填充于内绝热层内；且所述药柱为第一方面所述的嵌有金属丝的固体火箭发动机药柱。

87、基于此，使用此种药柱的固体火箭发动机能够针对不同任务使用柔性制造和量身定做的不同燃速以及燃速层数的药柱，优化发动机的推力变化范围和大小，以任务需求来定义药柱，更合理地分配推进剂的能量，根据作战需调来使用实现不同弹道特性的。根据不同任务，从而使导弹快速飞抵近距离目标；也可在飞行中降低飞行速度增加射程或感知目标，然后在末段加速攻击目标。变推力药柱的应用使导弹能覆盖来自防区内的任何威胁，具有非线性超视距的拦截进攻能力。比如拦截远程、高速目标时则采用两层装药来，来提高射程和撞击速度。

88、作为本发明一实施技术方案：采用星型装药内孔燃烧，金属丝采用三层排布方案，在药柱内层添加金属镁丝或铝丝，排布方式可使用网状金属丝；在药柱的中间部分添加燃速降速剂来降低燃速；在药柱的外层也添加金属镁丝或铝丝，排布方式选用短型金属丝随机排布。在起飞阶段金属丝起到满足高燃速大推力的需求，快速起飞并加速达到巡航速度，在药柱中间部分燃速较低，满足弹道巡航要求，在最后接近目标阶段，也利用金属丝来实现高燃速用来满足机动性和大推力要求。

89、作为本发明一实施技术方案：助推器方案：发动机整体在短时间内需求高燃速大推力，所以整体均添加金属丝，不添加燃速降速剂，金属丝添加方案比如径向长金属丝方案，短型金属丝随机排布方案，或金属网方案。使用此种药柱的助推器可以快速达到巡航速度。

90、作为本发明一实施技术方案：多层金属丝或燃速降速剂排布可以作为多脉冲固体火箭发动机的技术路线，按照导弹指导的需求，设定各级推力并调节各级持续时间，再设定各级的药柱厚度，添加的金属丝含量和添加方案。利用金属丝来对推进剂进行能量管理来提高导弹的射程机动性和拦截能力。

91、作为本发明一实施技术方案：多脉冲技术方案，可通过对同一药柱添加不同金属丝、燃速降速剂等方案分别制造高燃速药柱，低燃速药柱，复杂弹道药柱用于不同任务、不同目标、不同温度、不同使用地点等。

92、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

93、(1)本发明所述嵌有金属丝的固体火箭发动机药柱通过添加不同金属丝和燃速降速剂的方式将药柱分为不同燃速的多层，设定各层燃速及推力并调节间隔时间，通过对推进剂的能量管理，提高导弹的射程、机动性、拦截能力及作战能力。

94、(2)本发明通过调整发动机推力的作用时间，可以优化导弹飞行过程中的加减速过程，从而避免阻力等因素导致的能量损失，提高能量的利用效率。此外，通过控制后续发动机推力的作用时间，可以改变导弹的弹道特性，以满足特殊的弹道要求，例如更高的打击高度、更大的打击速度以及在打击目标前进行变速飞行等，末速度可提高20％，射程可增大20～30％。