固体火箭冲压发动机燃气流量调节装置及燃气发生器

技术领域

本发明涉及火箭发动机技术领域，尤其是一种固体火箭冲压发动机燃气流量调节装置及燃气发生器。

背景技术

以冲压方式进入固体火箭冲压发动机补燃室的空气流量随飞行高度、马赫数、攻角等飞行条件改变而改变，发动机不能保持在最佳空燃比附近工作，为保证发动机具有良好性能，必须调节燃气发生器富燃燃气流量，以保证冲压发动机在最佳空燃比附近工作。

目前燃气发生器燃气流量调节方案主要有两种：非壅塞燃气发生器喷管的自适应调节方案、变喉面(改变燃气发生器喷喉面积)的方案。

非壅塞式固体火箭冲压发动机燃气发生器中，富燃燃气流量随冲压燃烧室压强变化而自适应调节，导弹飞行过程中可使冲压发动机在一定空燃比范围内工作。然而，非壅塞式固体火箭冲压发动机自适应调节能力非常有限，并且不能对燃气流量进行主动调节，无法满足导弹的高机动要求。

变喉面的燃气流量调节方案，需要利用流量调节阀对燃气发生器喉部进行遮挡，以改变其有效流通面积。由于燃气发生器内具有很高的压强，而流量调节阀下游与补燃室相通，压强一般较低。因此燃气流量调节阀需要承受巨大的上下游压差。一般而言，对于流量调节比需求大于5:1时，流量调节阀承受的上下游最大压差可达约8MPa。在如此大的压差条件下，为保证较大范围的燃气流量调节需求，燃气流量调节阀需要遮挡的燃气发生器喉部面积较大，如果单独采用发明“CN104500270B”所公布的滑盘阀或发明“CN105736179A”所公布的锥阀，则其需要承受巨大的燃气冲击和压差力。这就对流量调节阀的结构强度和流量调节阀驱动系统的功率提出了较大的要求，从而增大了系统的复杂性和成本。

发明内容

本发明提供一种固体火箭冲压发动机燃气流量调节装置，用于克服现有技术中燃气流量调节能力较低且不能对燃气流量进行主动调节，对流量调节阀的结构强度和流量调节阀驱动系统要求较高，从而增加结构复杂性和成本等缺陷，实现固体火箭冲压发动机燃气流量在较宽范围内连续自动调节，且结构简单、成本低。

为实现上述目的，本发明提出一种固体火箭冲压发动机燃气流量调节装置，包括：

盖板，设置在燃气发生器主体与喉道连接的一端，在所述盖板厚度方向上贯穿设置有一个用于使得燃气发生器主体内的燃气流入所述喉道内的第一通孔和至少一个进气孔，每个所述进气孔上均设置有用于封堵进气孔的堵盖；

流量调节阀，设置在所述盖板上，用于在驱动装置的作用下在所述盖板上动作从而通过所述流量调节阀与所述第一通孔的交叠调节燃气的流通面积；

所述驱动装置，输入端与主控制器电性连接，输出端与所述流量调节阀连接，用于在所述主控制器的作用下驱动所述流量调节阀动作；

爆破装置，数量与所述进气孔相同，每个爆破装置设置在一个所述堵盖上，能够在所述主控制器作用下爆破所述堵盖以增加燃气流的流通面积；

压力传感器，安装在所述燃气发生器主体内壁上，感应端位于所述燃气发生器主体内部，输出端与主控制器电连接，将所述燃气发生器主体内部的压力通过压力信号传输给所述主控制器；

所述主控制器，根据所述压力信号生成第一控制指令输出给所述驱动装置；还根据所述压力信号生成第二控制指令输出给所述爆破装置。

为实现上述目的，本发明还提出一种固体火箭冲压发动机燃气发生器，包括燃气发生器主体和喉道，所述燃气发生器主体和喉管之间设置有上述所述的固体火箭冲压发动机燃气流量调节装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

1、本发明提供的固体火箭冲压发动机燃气流量调节装置，包括：盖板，设置在燃气发生器主体与喉道连接的一端，在所述盖板厚度方向上贯穿设置有一个用于使得燃气发生器主体内的燃气流入所述喉道内的第一通孔；流量调节阀，叠置在所述盖板上，并通过垂直于所述盖板的转轴安装在所述盖板上，用于在驱动装置的作用下在所述盖板上旋转通过所述流量调节阀与所述第一通孔的交叠调节燃气的流通面积；所述驱动装置，输入端与主控制器电性连接，输出端与所述转轴传动连接，用于在所述主控制器的作用下驱动所述转轴转动；压力传感器，安装在所述燃气发生器主体内壁上，感应端位于所述燃气发生器主体内部，输出端与主控制器电连接，将所述燃气发生器主体内部的压力通过压力信号传输给所述主控制器；所述主控制器，根据所述压力信号生成第一控制指令输出给所述驱动装置。主控制器根据设定的相应条件来指挥驱动装置，驱动装置在接收到主控制器的指令后驱动流量调节阀动作，从而实现对燃气流量的主动控制；此外，流量调节阀在动作过程中所需作用的流通面积为整个喉道横截面积的一小部分，所需承受的压力差、热腐蚀都大大降低，因此流量调节阀不需进行复杂的抗压防热腐蚀设计，本发明的流量调节阀结构简单，易于实现，且可实现一定范围内的流量调节。

2、本发明提供的固体火箭冲压发动机燃气流量调节装置，还包括：至少一个进气孔，在所述盖板厚度方向上贯穿设置，用于使得燃气发生器主体内的燃气流入所述喉道内；每个所述进气孔上均设置有用于封堵进气孔的堵盖；爆破装置，数量与所述进气孔相同，每个爆破装置设置在一个所述堵盖上，能够在所述主控制器作用下爆破所述堵盖以增加燃气流的流通面积；压力传感器，安装在所述燃气发生器主体内壁上，感应端位于所述燃气发生器主体内部，输出端与主控制器电连接，将所述燃气发生器主体内部的压力通过压力信号传输给所述主控制器；所述主控制器，根据所述压力信号生成第二控制指令输出给所述爆破装置。进气孔的设计增加了本发明装置流量调节的范围；进气孔的数量可根据实际流量调节的需求进行设计，从而既能满足实际需求，又能节约成本；爆破装置、压力传感器和主控制器的组合设计能够实现对流量调节的主动控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种固体火箭冲压发动机燃气发生器整体结构示意图；

图2为实施例一中流量调节阀与第一通孔完全交叠、进气孔堵盖全部封闭状态下的示意图；

图3为实施例一中第一通孔完全流通、进气孔堵盖全部封闭状态下的示意图；

图4为实施例一中流量调节阀与第一通孔完全交叠、其中一个进气孔堵盖被爆破状态下的示意图；

图5为实施例一中第一通孔完全流通、其中一个进气孔堵盖被爆破状态下的示意图；

图6为实施例一中流量调节阀与第一通孔完全交叠、其中两个进气孔堵盖被爆破状态下的示意图；

图7为实施例一中第一通孔完全流通、其中两个进气孔堵盖被爆破状态下的示意图。

附图标号说明：1：盖板；2：喉道；3：进气孔；4：堵盖；5：第一通孔；6：驱动装置；7：传动轴；8：流量调节阀；9：第二通孔；10：燃气发生器主体；11：固体推进剂。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种固体火箭冲压发动机燃气流量调节装置，包括：

盖板1，设置在燃气发生器主体10与喉道2连接的一端，在所述盖板1厚度方向上贯穿设置有一个用于使得燃气发生器主体10内的燃气流入所述喉道2内的第一通孔5(第一通孔的面积为A₅)和至少一个进气孔3(每个进气孔的面积为A₃，A₃<A₅)，每个所述进气孔3上均设置有用于封堵进气孔3的堵盖4；第一通孔5可以为圆形、方形、菱形等几何图形；进气孔3可以为圆形、方形、菱形等几何图形；第一通孔5和进气孔3的形状一致。

流量调节阀8，设置在所述盖板1上，用于在驱动装置6的作用下在所述盖板1上动作从而通过所述流量调节阀8与所述第一通孔5的交叠调节燃气的流通面积；流量调节阀8可以是叠置在盖板1上的一块挡板，一端可转动连接在盖板上，另一端可在转动过程中与第一通孔5交叠来调节燃气的流通面积；流量调节阀8还可以是一端固定安装在盖板1上的一块可前后伸缩的拼接板，另一端可在伸缩过程中与第一通孔5交叠来调节燃气的流通面积。

所述驱动装置6，输入端与主控制器电性连接，输出端与所述流量调节阀8连接，用于在所述主控制器的作用下驱动所述流量调节阀8动作；

爆破装置，数量与所述进气孔3相同，每个爆破装置设置在一个所述堵盖4上，能够在所述主控制器作用下爆破所述堵盖4以增加燃气流的流通面积；

压力传感器，安装在所述燃气发生器主体10内壁上，感应端位于所述燃气发生器主体10内部，输出端与主控制器电连接，将所述燃气发生器主体10内部的压力通过压力信号传输给所述主控制器；

所述主控制器，根据所述压力信号生成第一控制指令输出给所述驱动装置6；还根据所述压力信号生成第二控制指令输出给所述爆破装置。主控制器上设置了相应的计算程序，能够将压力信号转换为对应的流量调节需求。

本发明提供的固体火箭冲压发动机燃气流量调节装置，主控制器根据设定的相应条件来指挥驱动装置，驱动装置在接收到主控制器的指令后驱动流量调节阀动作，从而实现对燃气流量的主动控制；此外，流量调节阀在动作过程中所需作用的流通面积为整个喉道横截面积的一小部分，所需承受的压力差、热腐蚀都大大降低，因此流量调节阀不需进行复杂的抗压防热腐蚀设计，本发明的流量调节阀结构简单，易于实现，且可实现一定范围内的流量调节；同时，进气孔的设计增加了本发明装置流量调节的范围；进气孔的数量可根据实际流量调节的需求进行设计，从而既能满足实际需求，又能节约成本；爆破装置、压力传感器和主控制器的组合设计能够实现对流量调节的主动控制。

优选地，所述驱动装置6，包括一台用于驱动所述流量调节阀8动作的电机，安装在所述盖板1近喉道2侧；

所述主控制器，依据飞行器总体结构布局，安装于飞行器仓内合适位置。

优选地，所述堵盖4选用玻璃钢材质，并在堵盖4的近燃气发生器主体10侧铺设有隔热材料，用于防止固体推进剂11在所述燃气发生器主体10内燃烧产生的热量破坏所述堵盖4；所述盖板1的形状和尺寸与燃气发生器主体10和喉道2连接的一端端面适配，所述盖板1选用不锈钢材质，并在近燃气发生器主体10侧铺设有隔热材料，用于防止固体推进剂11在所述燃气发生器主体10内燃烧产生的热量破坏所述盖板1。

本发明还提出一种固体火箭冲压发动机燃气发生器，包括燃气发生器主体10和喉道2，所述燃气发生器主体10和喉管2之间设置有上述所述的固体火箭冲压发动机燃气流量调节装置。

实施例一

参见图1，本实施例提出一种固体火箭冲压发动机燃气流量调节装置，包括：

不锈钢材质的盖板1，设置在中空圆柱形燃气发生器主体10与中空圆筒状喉道2连接的一端，盖板1的形状和尺寸大小与燃气发生器主体10连接端的端面一致，在所述盖板1厚度方向上贯穿设置有一个用于使得燃气发生器主体10内的燃气流入所述喉道2内的第一通孔5(第一通孔的面积为A₅)和两个进气孔3(每个进气孔的面积为A₃)，每个所述进气孔3上均设置有用于封堵进气孔的玻璃钢材质的堵盖4。

流量调节阀8，叠置在所述盖板1上，并通过垂直于所述盖板1的转轴安装在所述盖板1上，用于在电机的作用下在所述盖板1上旋转通过所述流量调节阀8与所述第一通孔5的交叠调节燃气的流通面积；

所述流量调节阀8，包括一块挡板，所述挡板的一端铰接在所述盖板1上且在所述盖板1与喉道2连接处的喉道2内径范围外，另一端在转动过程中可逐渐遮挡所述第一通孔5；

所述挡板的可转动端的中心位置，如图1所示，开设有一个能随着所述挡板的转动而与所述第一通孔5完全重合的第二通孔9(第二通孔的面积为A₉，A₉<A₅，第二通孔的形状与第一通孔一致)。

电机，输入端与主控制器电性连接，输出端与所述流量调节阀8连接，用于在所述主控制器的作用下驱动所述流量调节阀8动作；

两个爆破装置，每个爆破装置设置在一个所述堵盖4上，能够在所述主控制器作用下爆破所述堵盖4以增加燃气流的流通面积；

压力传感器，安装在所述燃气发生器主体10内壁上，感应端位于所述燃气发生器主体10内部，输出端与主控制器电连接，将所述燃气发生器主体10内部的压力通过压力信号传输给所述主控制器；

所述主控制器，根据所述压力信号生成第一控制指令输出给所述驱动装置6；还根据所述压力信号生成第二控制指令输出给所述爆破装置。

所述第一通孔5、第二通孔9和进气孔3的面积关系为A₅＝A₉+A₃，且A₉<A₃<A₅。

在固体火箭冲压发动机刚开始工作时(两个所述进气孔3均处于封闭状态)，导弹一般处于爬升、加速阶段，需要发动机提供较大推力，因此需要较大的燃气流量。在主控制器接收到压力信号并判断小于第一目标压力阈值时，就会触发主控制器向电机发送第一控制指令，在电机接收到主控制器的指令后通过传动轴驱动流量调节阀8转动至第二通孔9与第一通孔5完全重合位置处，参见图2，此时燃气发生器主体10与喉道2流通的有效流通面积最小，为第二通孔9的面积A₉，燃气发生器主体10内压强最大，从燃气发生器主体10流入喉道2内的燃气流量最大。

随着导弹飞行高度增加，进入进气道的空气流量逐渐减少，为保证发动机工作的最佳空燃比，需要相应减小喉道2内的燃气流量。在主控制器接收到压力信号并判断大于第二目标压力阈值时，就会触发主控制器向电机发送第一控制指令，电机在接收到主控制器的指令后通过传动轴驱动流量调节阀8摆动，逐渐减少对第一通孔5的遮挡，从而增大燃气发生器主体10与喉道2之间的有效流通面积，使得燃气发生器主体10压强逐渐降低，从燃气发生器主体10流入喉道2内的燃气流量逐渐减小。当第一通孔5完全流通后，此时流通面积为A₅，参见图3。

若此时，主控制器接收到压力信号并判断依然大于第二目标压力阈值，就会触发主控制器向其中一个爆破装置发送第二控制指令引爆该爆破装置，使相应的进气孔3流通，同时会触发主控制器向电机发送第一控制指令驱动流量调节阀8瞬间转动至第二通孔9与第一通孔5完全重合位置处(参见图4)，之后流量调节阀8再摆动逐渐减少对第一通孔5的遮挡，直至第一通孔5完全流通(参见图5)。流量调节阀8的瞬间转动至第二通孔9与第一通孔5完全重合位置处的动作，结合所述第一通孔5、第二通孔9和进气孔3的面积关系，能够实现流量调节接近线性。

若此时，主控制器接收到压力信号并判断依然大于第二目标压力阈值，就会触发主控制器向另一个爆破装置发送第二控制指令引爆该爆破装置，使相应的进气孔3流通，同时会触发主控制器向电机发送第一控制指令驱动流量调节阀8瞬间转动至第二通孔9与第一通孔5完全重合位置处(参见图6)，之后流量调节阀8再摆动逐渐减少对第一通孔5的遮挡，直至第一通孔5完全流通(参见图7)，此时的流通面积为A₅+2*A₃。

之后，若主控制器接收到压力信号并判断小于第三目标压力阈值，就会触发主控制器向电机发送第一控制指令驱动流量调节阀8逐渐转动增大对第一通孔5的遮挡，以增大燃气流量。

实施例二

本实施例与实施例一相比，仅流量调节阀的结构不同，其他结构同实施例一。

本实施例中，流量调节阀8包括一块可前后伸缩的拼接板，所述拼接板的一端固定连接在所述盖板1上且在所述盖板1与喉道2连接处的喉道内径范围外，另一端在伸出过程中可逐渐遮挡所述第一通孔5。

所述拼接板的可伸缩端的中心位置开设有一个能随着所述拼接板的伸出而与所述第一通孔5完全重合的第二通孔9。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。