【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的，尤其是涉及一種嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱及其應(yīng)用。
技術(shù)介紹
1、典型的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，通常采用液體氧化劑+固體燃料藥柱的組合方案。不同的氧化劑與燃料的組合使固液發(fā)動(dòng)機(jī)具有不同的工作特性及適用領(lǐng)域。燃面退移速率(以下簡稱燃速)是固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要工作和設(shè)計(jì)參數(shù)，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)的氧化劑和固體燃料是分開貯存的，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)氧化劑從前端噴注器噴入到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，與固體燃料的熱解氣體在藥柱表面上方發(fā)生反應(yīng)燃燒。這種典型的擴(kuò)散燃燒特性，使固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，火焰層向藥柱壁面反饋的熱量較少，導(dǎo)致燃率比固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)要低一個(gè)數(shù)量級(jí)左右，燃速低導(dǎo)致其在高燃速的應(yīng)用場景下(如助推器、小型運(yùn)載火箭、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈)固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)收到極大限制。
2、而藥柱是具有特定幾何形狀和尺寸的固體推進(jìn)劑，它是發(fā)動(dòng)機(jī)的能源和工質(zhì)源。藥柱的幾何形狀和尺寸、和燃料的配方選擇影響藥柱的燃速特性，從而決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)馍陕始捌渥兓?guī)律，因此也就決定了燃燒室的壓強(qiáng)和發(fā)動(dòng)機(jī)推力隨時(shí)間變化的關(guān)系。
3、如上所述，典型的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，通常采用液體(或氣體)氧化劑+固體燃料藥柱的組合方案，而目前常用的聚合物固體燃料藥柱由于燃料因其熱解速率主要受擴(kuò)散火焰層向壁面的傳熱量限制，燃速較低。因此，通常會(huì)在上述固體藥柱基體中添加高能顆粒，如鋁、鉑、鎂、鈹、硼、鋰及其鋰化物等來提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能和質(zhì)量特性；或是添加少量高氯酸銨(ap)、疊氮縮水甘油醚(gap)、催化劑fe2o3也可以能提高燃面退移速率。雖然可以通過添加高能
4、而傳統(tǒng)聚合物石蠟基燃料具有低溫固體燃料燃面退移產(chǎn)生的液膜夾帶現(xiàn)象，提高了燃料質(zhì)量的輸運(yùn)，液膜在來流熱燃?xì)獾募羟凶饔孟庐a(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，液膜破碎成液滴被卷吸入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場加速燃燒，提高燃燒效率并顯著提高燃面退移速率，增大推力。但石蠟基燃料的缺點(diǎn)主要在于其機(jī)械性能不足，容易收到輻射熱的作用而發(fā)生藥柱的軟化脫落。雖然可通過向石蠟中添加聚合物固體燃料來改善力學(xué)性能，提高藥柱的抗拉和抗壓強(qiáng)度，但是這種方式又會(huì)降低燃速。
5、此外，裝藥設(shè)計(jì)也是固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，可通過設(shè)計(jì)固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱的裝藥結(jié)構(gòu)來提高其燃速，而目前裝藥設(shè)計(jì)存在不同的缺陷，例如一維(端燃藥柱)的缺點(diǎn)是：(1)燃燒面積很小，因而推力很??；(2)在燃燒過程中發(fā)動(dòng)機(jī)重心移動(dòng)大；(3)高溫燃?xì)馀c燃燒室壁接觸，必須有厚的絕熱層。絕熱層可能占據(jù)燃燒室容積的5～10％從而降低了裝填系數(shù)；(4)發(fā)動(dòng)機(jī)推力、壓力曲線上升緩慢(5)點(diǎn)火困難。三維的缺點(diǎn)是：藥性復(fù)雜、工藝?yán)щy，但可拆卸藥模、可融化藥?；蚩扇妓幠５某霈F(xiàn)減少了復(fù)雜性；錐槽的頂部有應(yīng)力集中現(xiàn)象。
6、因此，亟待開發(fā)一種能夠同時(shí)改善藥柱的燃燒性能和力學(xué)特性的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱，為實(shí)現(xiàn)對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃速的精確控制提供了新的途徑。
7、有鑒于此，特提出本專利技術(shù)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的之一在于提供一種嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱。所述固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱通過金屬絲的引入，不僅改善了藥柱的燃燒性能和力學(xué)特性，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃速的精確控制提供了新的途徑。
2、本專利技術(shù)的目的之二在于提供一種所述的嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱在提高固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃速中的應(yīng)用。
3、本專利技術(shù)的目的之三在于提供一種固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，所述固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)包括液體氧化劑輸送系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)主體系統(tǒng)；其中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)主體系統(tǒng)中包括燃燒室，所述燃燒室中包括所述的自燃的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱。
4、為了實(shí)現(xiàn)本專利技術(shù)的上述目的，特采用以下技術(shù)方案：
5、第一方面，本專利技術(shù)提供一種嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱，所述嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱包括具有中空圓柱結(jié)構(gòu)的藥柱本體；其中，所述藥柱本體間嵌有金屬絲。
6、在本專利技術(shù)中，通過采用不同粗細(xì)、長徑比和材料的金屬絲或金屬纖維，可以有效控制藥柱內(nèi)部的導(dǎo)熱過程。嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間還可參與燃燒，從而提高比沖。且通過調(diào)整金屬絲或金屬纖維的種類、數(shù)量、粗細(xì)和分布等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)藥柱燃速的增強(qiáng)和精確控制。與此同時(shí)，金屬絲纖維的引入顯著提升了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的力學(xué)特性，增加了藥柱的抗拉強(qiáng)度和剛度，有助于保持藥柱的形狀。在推進(jìn)劑中混入短金屬線或嵌入長金屬線，能夠顯著提高推進(jìn)劑的燃燒速度，達(dá)到原來的2～5倍。這種創(chuàng)新性的應(yīng)用可以優(yōu)化和提升固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。金屬絲的引入不僅改善了藥柱的燃燒性能和力學(xué)特性，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃速的精確控制提供了新的途徑。
7、在本專利技術(shù)中，使用金屬絲的作用有以下三個(gè)方面：第一、金屬絲的能量密度很高，金屬絲自身的燃燒可以釋放出大量的熱，可以增加燃燒溫度和燃燒效率，提高能量釋放的大小，提供飛行器起飛階段所需的高燃速和大推力。第二、利用金屬絲良好的導(dǎo)熱性，在固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的藥柱中可以起到傳導(dǎo)熱量的作用。藥柱的燃燒過程中，金屬絲自身燃燒所釋放的熱量，依靠金屬絲良好的導(dǎo)熱能力對(duì)固相中傳熱，使得固相中和金屬絲相鄰的藥柱地方會(huì)吸收到更多的熱量，形成一個(gè)金屬絲加熱區(qū)。增強(qiáng)了氣相燃燒區(qū)對(duì)固相的傳熱，從而增加燃速。第三、金屬絲的力學(xué)性能很好，可以有效支撐燃料，增加藥柱的抗拉強(qiáng)度和剛度，能夠保持藥柱在燃燒過程中的完整性，防止發(fā)生脫落從而影響內(nèi)彈道性能。
8、優(yōu)選地，所述藥柱本體的內(nèi)徑和外徑之比為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。
9、優(yōu)選地，所述藥柱本體的長度和外徑之比為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。
10、優(yōu)選地，所述金屬絲的材質(zhì)選自銀、銅、鎢、鋁、鉑、鎂、康銅或鋼中的任意一種或至少兩種的組合。
11、在本專利技術(shù)中，所述金屬絲優(yōu)選由鋁、鉑、鎂、鋼、鎂合金和合金鋼等可燃金屬制成。金屬的導(dǎo)熱性能，熔點(diǎn)，金屬絲的直徑和長度、排布方式或密度均對(duì)燃速增強(qiáng)產(chǎn)生不同的影響。通過使用不同尺寸(長度、直徑)的金屬絲以及使用不同排布方式、排布角度、排布密度的金屬絲可以對(duì)藥柱的燃速實(shí)現(xiàn)智能化控制。
12、其中，金屬絲的性能參數(shù)和燃速增大倍數(shù)如下表1所示：
13、表1
14、
15、金屬絲材料的選擇起著關(guān)鍵作用，可以采用多種金屬，如銀、紫銅、鎢、鉑、鋁、鎂、鋼等。這些金屬的導(dǎo)熱性能，即熱擴(kuò)散系數(shù)(a)，對(duì)燃速增大倍數(shù)影響顯著，其中銀的熱擴(kuò)散系數(shù)最大，導(dǎo)致燃速增加的幅度也最大。此外，金屬的熔點(diǎn)高低也對(duì)燃速有顯著影響。較高的熔點(diǎn)使金屬絲在高溫燃?xì)庵心軌虮Ａ舾L的長度，吸收更多的熱量，有利于燃速的增大。本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱，其特征在于，所述嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱包括具有中空圓柱結(jié)構(gòu)的藥柱本體；其中，所述藥柱本體間嵌有金屬絲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱，其特征在于，所述藥柱本體的內(nèi)徑和外徑之比為0.2～0.4；且所述藥柱本體的長度和外徑之比為3～10。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱，其特征在于，所述金屬絲的材質(zhì)選自銀、銅、鎢、鋁、鉑、鎂、康銅或鋼中的任意一種或至少兩種的組合；
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱，其特征在于，當(dāng)所述金屬絲的排布方式為徑向排布時(shí)，所述嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱的具體結(jié)構(gòu)為：垂直于燃燒端面在藥柱本體中沿著圓周方向均勻插入長條形金屬絲；
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱，其特征在于，當(dāng)所述金屬絲的排布方式為隨機(jī)嵌入時(shí)，所述嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱的具體結(jié)構(gòu)為：在藥柱本體中隨機(jī)分布有短條形金屬絲；
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱，
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱，其特征在于，當(dāng)所述金屬絲的排布方式為網(wǎng)狀交叉時(shí)，所述嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱的具體結(jié)構(gòu)為：在藥柱本體中嵌有由金屬絲交叉所形成的金屬網(wǎng)；
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱，其特征在于，所述金屬絲的表面涂覆有增加燃速的涂層；
9.一種根據(jù)權(quán)利要求1～8中任一項(xiàng)所述的嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱在提高固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃速中的應(yīng)用。
10.一種固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)包括液體氧化劑輸送系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)主體系統(tǒng)；
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱，其特征在于，所述嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱包括具有中空圓柱結(jié)構(gòu)的藥柱本體；其中，所述藥柱本體間嵌有金屬絲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱，其特征在于，所述藥柱本體的內(nèi)徑和外徑之比為0.2～0.4；且所述藥柱本體的長度和外徑之比為3～10。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱，其特征在于，所述金屬絲的材質(zhì)選自銀、銅、鎢、鋁、鉑、鎂、康銅或鋼中的任意一種或至少兩種的組合；
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱，其特征在于，當(dāng)所述金屬絲的排布方式為徑向排布時(shí)，所述嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱的具體結(jié)構(gòu)為：垂直于燃燒端面在藥柱本體中沿著圓周方向均勻插入長條形金屬絲；
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的嵌有金屬絲的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱，其特征在于，當(dāng)所述金屬絲的排布方式為隨機(jī)嵌入時(shí)，所述嵌有金...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：蔡國飆，張宇晨，張?jiān)纯?/a>，田輝，朱浩，李昊，童敏彰，
申請(專利權(quán))人：北京航空航天大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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