一种组合式推力矢量喷管系统及带有该系统的弹体

技术领域

本发明属于航空航天飞行器动力技术领域，具体涉及一种组合式推力矢量喷管系统及带有该系统的弹体。

背景技术

推力矢量技术与导弹、飞机等航空航天器技术的发展密切相关，是导弹和航天动力的核心和关键技术之一。推力矢量控制技术的发展与应用可以有效地提高飞行器的机动性能，并且在减小飞行器阻力和重量，提高隐身性能、安全性能和生存能力等方面有着举足轻重的作用，从而能够显著提高飞行器的作战效能。推力矢量控制技术是固体火箭发动机广泛应用的关键，目前已经发展成为一项专门技术，推力矢量控制系统种类繁多。随着固体火箭发动机应用的范围不断扩大，人们对推力矢量控制系统的要求也越来越苛刻。在提高发动机性能且增加功能的同时，保证较低的质量和造价并提高可靠性将是固体火箭发动机技术未来发展方向之一。

目前推力矢量装置大多采用液压式或者机械式运动部件，比如结构相对简单，技术相对成熟的阻流致偏类推力矢量技术，主要包括：燃气舵、燃气浆、扰流片、偏流环等。该方式能在一定程度上产生推力矢量，但是该方法会使发动机重量增加，同时还会增加发动机的重量。同时，该方式由于复杂的机械结构使得该种推力矢量装置的可靠性较低，在高温高压环境下对冷却的要求就更高。因此就更需要一个结构更简单，成本更低，同时还能够满足推力矢量要求的推力矢量装置设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种组合式推力矢量喷管系统。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括超音速分离线摆动喷管和液体二次喷射系统；所述的超音速分离线摆动喷管包括喷管固定段和喷管运动段，超音速分离线摆动喷管的入口设置在喷管固定段前端，超音速分离线摆动喷管的出口设置在喷管运动段的后端，喷管固定段后端与喷管运动段的前端连接，在喷管固定段与喷管运动段连接处设有密封圈；所述的超音速分离线摆动喷管内部流道由收缩段、喉部和扩张段组成，收缩段与喉部位于喷管固定段内，收缩段的入口为超音速分离线摆动喷管的入口，扩张段位于喷管运动段内，扩张段的出口为超音速分离线摆动喷管的出口；所述的喷管固定段外部设有固定段法兰环，喷管运动段外部设有运动段法兰环，在固定段法兰环与运动段法兰环之间设有伺服机构；所述的伺服机构包括电磁驱动杆件，电磁驱动杆件的前后两端分别通过万向球连接装置安装在固定段法兰环和运动段法兰环上，在电磁驱动杆件外部设有电磁驱动套筒；所述的喷管固定段上开设有喷射器管道槽；所述的喷射器管道槽的出口设置在喷管固定段的内壁面上，位于超音速分离线摆动喷管的超音速分离线处；所述的喷射器管道槽的入口设置在喷射器固定段的外壁面上；所述的液体二次喷射系统包括液体二次喷射装置和喷射剂输送管道；所述的液体二次喷射装置包括喷射剂贮箱、储气装置和喷射器；所述的喷射剂贮箱内部设有充气囊；所述的充气囊通过气体管道与储气装置连接，在气体管道上设有储气装置压力调节装置；所述的喷射剂贮箱通过喷射剂输送管道与喷射器连接，在喷射剂贮箱出口处设有防止喷射剂逆流的安全隔膜，在喷射剂输送管道上设有流量计和喷射剂贮箱压力调节装置；所述的喷射器的输出端通过喷射器管道与喷嘴连接，喷嘴伸入到超音速分离线摆动喷管的喷射器管道槽中，在喷射器管道上设有喷射器阀门和喷射器压力调节装置。

本发明还可以包括：

所述的液体二次喷射装置有四组；所述的喷射剂输送管道包括输液管左环路、输液管右环路和外围输送管道，输液管左环路通过外围输送管道与输液管右环路连接，喷射剂输送管道整体构成框架结构；四组液体二次喷射装置布置在喷射剂输送管道构成的框架结构内部，四组喷射剂贮箱分别与输液管左环路连接，四组喷射器的输入端分别与输液管右环路连接；所述的超音速分离线摆动喷管上开设有四组喷射器管道槽，四组喷射器的喷嘴分别伸入到对应位置的喷射器管道槽中。

所述的储气装置为高压气瓶，在高压气瓶的输出端设有电爆活门；所述的储气装置压力调节装置为三通式压力调节阀；所述的三通式压力调节阀的两端通过气体管道与高压气瓶和喷射剂贮箱内部的充气囊连接，三通式压力调节阀的另一端与排气体管道连接。

所述的喷射剂贮箱中的喷射剂为过氯酸锶水溶液，在喷射剂内添加有润滑成分，减小密封圈的摩擦。

本发明的目的还在于提供一种带有组合式推力矢量喷管系统的弹体。

本发明的目的通过如下技术方案实现：包括弹体外壳、燃烧室和组合式推力矢量喷管系统；所述的燃烧室和组合式推力矢量喷管系统均设置在弹体外壳内部，位于弹体外壳的尾部；所述的组合式推力矢量喷管系统包括超音速分离线摆动喷管和液体二次喷射系统；所述的超音速分离线摆动喷管包括喷管固定段和喷管运动段，超音速分离线摆动喷管的入口设置在喷管固定段前端，超音速分离线摆动喷管的出口设置在喷管运动段的后端，喷管固定段后端与喷管运动段的前端连接，在喷管固定段与喷管运动段连接处设有密封圈；所述的超音速分离线摆动喷管内部流道由收缩段、喉部和扩张段组成，收缩段与喉部位于喷管固定段内，收缩段的入口为超音速分离线摆动喷管的入口，扩张段位于喷管运动段内，扩张段的出口为超音速分离线摆动喷管的出口；所述的喷管固定段外部设有固定段法兰环，喷管运动段外部设有运动段法兰环，在固定段法兰环与运动段法兰环之间设有伺服机构；所述的伺服机构包括电磁驱动杆件，电磁驱动杆件的前后两端分别通过万向球连接装置安装在固定段法兰环和运动段法兰环上，在电磁驱动杆件外部设有电磁驱动套筒；所述的喷管固定段上开设有喷射器管道槽；所述的喷射器管道槽的出口设置在喷管固定段的内壁面上，位于超音速分离线摆动喷管的超音速分离线处；所述的喷射器管道槽的入口设置在喷射器固定段的外壁面上；所述的超音速分离线摆动喷管设置在燃烧室的后方，超音速分离线摆动喷管的固定段法兰环通过固定螺栓安装在燃烧室的壳体外壁上，燃烧室的内流道的出口与超音速分离线摆动喷管的入口相通；所述的液体二次喷射系统包括四组液体二次喷射装置和喷射剂输送管道；所述的液体二次喷射装置包括喷射剂贮箱、储气装置和喷射器；所述的喷射剂贮箱内部设有充气囊；所述的充气囊通过气体管道与储气装置连接，在气体管道上设有储气装置压力调节装置；所述的喷射剂贮箱通过喷射剂输送管道与喷射器连接，在喷射剂贮箱出口处设有防止喷射剂逆流的安全隔膜，在喷射剂输送管道上设有流量计和喷射剂贮箱压力调节装置；所述的喷射器的输出端通过喷射器管道与喷嘴连接，在喷射器管道上设有喷射器阀门和喷射器压力调节装置；所述的喷射剂输送管道包括输液管左环路、输液管右环路和外围输送管道，输液管左环路通过外围输送管道与输液管右环路连接，喷射剂输送管道整体构成框架结构；四组液体二次喷射装置布置在喷射剂输送管道构成的框架结构内部，四组喷射剂贮箱分别与输液管左环路连接，四组喷射器的输入端分别与输液管右环路连接；所述的液体二次喷射装置有四组；所述的超音速分离线摆动喷管上开设有四组喷射器管道槽，四组喷射器的喷嘴分别伸入到对应位置的喷射器管道槽中；所述的四组喷射剂贮箱、四组储气装置和输液管左环路设置在燃烧室的前方；所述的输液管右环路设置在燃烧室的后方，外围输送管道布置在燃烧室的壳体的外侧。

本发明还可以包括：

所述的储气装置为高压气瓶，在高压气瓶的输出端设有电爆活门；所述的储气装置压力调节装置为三通式压力调节阀；所述的三通式压力调节阀的两端通过气体管道与高压气瓶和喷射剂贮箱内部的充气囊连接，三通式压力调节阀的另一端与排气体管道连接。

所述的喷射剂贮箱中的喷射剂为过氯酸锶水溶液，在喷射剂内添加有润滑成分，减小密封圈的摩擦。

本发明的有益效果在于：

本发明将液体二次喷射系统和超音速分离线摆动喷管两个子系统进行有机结合，充分发挥了两者的优势，液体二次喷射系统主要有响应快、效率高、结构重量小的特点，同时还能够起到给喷管润滑降温的作用，使飞行器拥有更大的推力矢量偏角、更快的响应速度。当侧向力综合控制系统发出信号后，液体二次喷射系统和超音速分离线摆动喷管系统同时工作，为飞行器提供侧向力，液体喷射提供轴向力。本发明可以减小飞行器液体喷射剂的携带量和贮箱体积，使推力矢量控制系统总重得到有效的控制。喷射剂的喷入能够减缓喷管内型面受热，增强喷管抗烧蚀能力，防止颗粒相进入分离线缝隙使喷管卡死。喷射剂内添加的润滑成分还可以减小密封圈的摩擦，进一步提升系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明的一种组合式推力矢量喷管系统的总体设计图。

图2为本发明的一种带有组合式推力矢量喷管系统的弹体的总装图。

图3为本发明的一种带有组合式推力矢量喷管系统的弹体的局部放大示意图。

图4为本发明中超音速分离线摆动喷管的等轴测视图。

图5为本发明中超音速分离线摆动喷管的半剖视图。

图6为本发明中液体二次喷射系统的右视图。

图7为本发明中液体二次喷射系统的正视图。

图8为本发明中液体二次喷射系统的管路图。

图9为本发明中喷射器管道槽的局部放大示意图。

图10为综合控制系统示意图。

图11为二次喷射控制系统示意图。

图12为摆动喷管闭环反馈示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明的组合式推力矢量喷管系统是一种高侧向推力的推力矢量喷管系统。本发明将液体二次喷射系统和超音速分离线摆动喷管两个子系统进行有机结合，充分发挥了两者的优势，使飞行器拥有更大的推力矢量偏角、更快的响应速度。当侧向力综合控制系统发出信号后，液体二次喷射系统和超音速分离线摆动喷管系统同时工作，为飞行器提供侧向力，液体喷射提供轴向力。本发明可以减小飞行器液体喷射剂的携带量和贮箱体积，使推力矢量控制系统总重得到有效的控制。喷射剂的喷入能够减缓喷管内型面受热，增强喷管抗烧蚀能力，防止颗粒相进入分离线缝隙使喷管卡死。喷射剂内添加的润滑成分还可以减小密封圈的摩擦，进一步提升系统的可靠性。

本发明的组合式推力矢量喷管系统采用超音速分离线摆动喷管与二次喷射系统相结合的方式，超音速分离线喷管的主要有结构简单紧凑、消极质量轻、伺服作动力矩小、能放大偏转侧向力、发动机可靠性高、研制成本低等优点。而二次喷射系统主要有响应快、效率高、结构重量小的特点，同时还能够起到给喷管润滑降温的作用。因此该设计将两种方案进行有机结合，充分发挥二者优势，使得该装置能够有更高的性能和可靠性。

一种组合式推力矢量喷管系统，包括超音速分离线摆动喷管5和液体二次喷射系统21；

所述的超音速分离线摆动喷管包括喷管固定段8和喷管运动段10，超音速分离线摆动喷管的入口7设置在喷管固定段前端，超音速分离线摆动喷管的出口11设置在喷管运动段的后端，喷管固定段后端与喷管运动段的前端连接，在喷管固定段与喷管运动段连接处设有密封圈13；所述的超音速分离线摆动喷管内部流道由收缩段、喉部和扩张段组成，收缩段与喉部位于喷管固定段内，收缩段的入口为超音速分离线摆动喷管的入口，扩张段位于喷管运动段内，扩张段的出口为超音速分离线摆动喷管的出口；所述的喷管固定段外部设有固定段法兰环39，喷管运动段外部设有运动段法兰环41，在固定段法兰环与运动段法兰环之间设有伺服机构9；所述的伺服机构包括电磁驱动杆件34，电磁驱动杆件的前后两端分别通过万向球连接装置35安装在固定段法兰环和运动段法兰环上，在电磁驱动杆件外部设有电磁驱动套筒33；所述的喷管固定段上开设有喷射器管道槽40；所述的喷射器管道槽的出口设置在喷管固定段的内壁面43上，位于超音速分离线摆动喷管的超音速分离线12处；所述的喷射器管道槽的入口设置在喷射器固定段的外壁面上；

所述的液体二次喷射系统包括液体二次喷射装置和喷射剂输送管道27；所述的液体二次喷射装置包括喷射剂贮箱23、储气装置26和喷射器15；所述的喷射剂贮箱内部设有充气囊17；所述的充气囊通过气体管道与储气装置连接，在气体管道上设有储气装置压力调节装置25；所述的喷射剂贮箱通过喷射剂输送管道与喷射器连接，在喷射剂贮箱出口处设有防止喷射剂逆流的安全隔膜6，在喷射剂输送管道上设有流量计16和喷射剂贮箱压力调节装置22；所述的喷射器的输出端通过喷射器管道14与喷嘴45连接，喷嘴伸入到超音速分离线摆动喷管的喷射器管道槽中，在喷射器管道上设有喷射器阀门42和喷射器压力调节装置37。

所述的液体二次喷射装置有四组；所述的喷射剂输送管道包括输液管左环路24、输液管右环路31和外围输送管道，输液管左环路通过外围输送管道与输液管右环路连接，喷射剂输送管道整体构成框架结构；四组液体二次喷射装置布置在喷射剂输送管道构成的框架结构内部，四组喷射剂贮箱分别与输液管左环路连接，四组喷射器的输入端分别与输液管右环路连接；所述的超音速分离线摆动喷管上开设有四组喷射器管道槽，四组喷射器的喷嘴分别伸入到对应位置的喷射器管道槽中。

所述的储气装置为高压气瓶1，在高压气瓶的输出端设有电爆活门2；所述的储气装置压力调节装置为三通式压力调节阀3；所述的三通式压力调节阀的两端通过气体管道与高压气瓶和喷射剂贮箱内部的充气囊连接，三通式压力调节阀的另一端与排气体管道18连接。

所述的喷射剂贮箱中的喷射剂为过氯酸锶水溶液，在喷射剂内添加有润滑成分，减小密封圈的摩擦。

本发明还提供了一种带有组合式推力矢量喷管系统的弹体。

一种带有组合式推力矢量喷管系统的弹体，包括弹体外壳19、燃烧室20和组合式推力矢量喷管系统；所述的燃烧室和组合式推力矢量喷管系统均设置在弹体外壳内部，位于弹体外壳的尾部；

所述的组合式推力矢量喷管系统包括超音速分离线摆动喷管和液体二次喷射系统；所述的超音速分离线摆动喷管包括喷管固定段和喷管运动段，超音速分离线摆动喷管的入口设置在喷管固定段前端，超音速分离线摆动喷管的出口设置在喷管运动段的后端，喷管固定段后端与喷管运动段的前端连接，在喷管固定段与喷管运动段连接处设有密封圈；所述的超音速分离线摆动喷管内部流道由收缩段、喉部和扩张段组成，收缩段与喉部位于喷管固定段内，收缩段的入口为超音速分离线摆动喷管的入口，扩张段位于喷管运动段内，扩张段的出口为超音速分离线摆动喷管的出口；所述的喷管固定段外部设有固定段法兰环，喷管运动段外部设有运动段法兰环，在固定段法兰环与运动段法兰环之间设有伺服机构；所述的伺服机构包括电磁驱动杆件，电磁驱动杆件的前后两端分别通过万向球连接装置安装在固定段法兰环和运动段法兰环上，在电磁驱动杆件外部设有电磁驱动套筒；所述的喷管固定段上开设有喷射器管道槽；所述的喷射器管道槽的出口设置在喷管固定段的内壁面上，位于超音速分离线摆动喷管的超音速分离线处；所述的喷射器管道槽的入口设置在喷射器固定段的外壁面上；所述的超音速分离线摆动喷管设置在燃烧室的后方，超音速分离线摆动喷管的固定段法兰环通过固定螺栓32安装在燃烧室的壳体外壁38上，燃烧室的内流道30的出口与超音速分离线摆动喷管的入口相通；

所述的液体二次喷射系统包括四组液体二次喷射装置和喷射剂输送管道；所述的液体二次喷射装置包括喷射剂贮箱、储气装置和喷射器；所述的喷射剂贮箱内部设有充气囊；所述的充气囊通过气体管道与储气装置连接，在气体管道上设有储气装置压力调节装置；所述的喷射剂贮箱通过喷射剂输送管道与喷射器连接，在喷射剂贮箱出口处设有防止喷射剂逆流的安全隔膜，在喷射剂输送管道上设有流量计和喷射剂贮箱压力调节装置；所述的喷射器的输出端通过喷射器管道与喷嘴连接，在喷射器管道上设有喷射器压力调节装置；所述的喷射剂输送管道包括输液管左环路、输液管右环路和外围输送管道，输液管左环路通过外围输送管道与输液管右环路连接，喷射剂输送管道整体构成框架结构；四组液体二次喷射装置布置在喷射剂输送管道构成的框架结构内部，四组喷射剂贮箱分别与输液管左环路连接，四组喷射器的输入端分别与输液管右环路连接；所述的液体二次喷射装置有四组；所述的超音速分离线摆动喷管上开设有四组喷射器管道槽，四组喷射器的喷嘴分别伸入到对应位置的喷射器管道槽中；所述的四组喷射剂贮箱、四组储气装置和输液管左环路设置在燃烧室的前方；所述的输液管右环路设置在燃烧室的后方，外围输送管道布置在燃烧室的壳体28的外侧。

实施例1：

参见图1-图3，本发明提供了一种组合式推力矢量喷管系统，包括超音速分离线摆动喷管(如图4-图5所示)、液体二次喷射系统(如图6-图8所示)和控制系统(如图9-图12所示)。

所述控制系统(如图9-图12所示)包括侧向力综合控制系统(如图9所示)，二次喷射控制系统(如图10所示)(包括电磁流量计控制器，液体二次喷射控制器，流量信号处理模块)，以及超音速分离线摆动喷管控制系统(如图11所示)。

本发明将超音速分离线摆动喷管与液体二次喷射系统相结合，有效增加了超音速分离线摆动喷管的可靠性。本发明在超音速分离线摆动喷管上同时采用液体二次喷射技术，有效防止了颗粒阻塞分离线缝隙。

二次喷射剂的喷入能够对超音速分离线摆动喷管增加一个辅助的推力矢量，从而使得该装置较传统的超音速分离线摆动喷管拥有更大的轴向推力和侧向推力。

超音速分离线摆动喷管的分离线位置在超音速段，从而使得分离线处的温度和压力比亚音速分离线喷管低，因而更容易解决烧蚀和密封问题。超音速分离线摆动喷管整体为钟形喷管，相比传统的喷管，该喷管能够产生更大的推力矢量。

喷射剂内添加由润滑成分，可以对密封圈进行润滑作用，从而有效地减小喷管摆动过程中所产生的摩擦阻力。喷射剂由贮箱供给，而不是从发动机燃烧室抽取，因此，对贮存材料要求不高，也不会对发动机燃烧室内的压力和流动产生影响。在喷射剂贮箱右侧与喷射剂输送管道相接的地方设置了安全隔膜，以防止喷射剂逆流，并且在喷管停止工作时将通路切断，停止喷射剂的供给。

本发明采用专门的控制系统，将超音速分离线摆动喷管和液体二次喷射系统有效的结合起来，从而使得喷管能够实现全方位偏转。

飞行器正常续航时，发动机燃烧室推进剂燃烧产生持续燃气，流入喷管，经喷管加速排出，从而产生轴向推力，飞行器飞行姿态不改变。

当需飞行器需要进行姿态调整或者做出某些动作时，对控制系统输入相应的控制信号，控制系统对超音速分离线喷管系统以及液体二次喷射系统发出相应的控制指令。接受指令后，摆动喷管产生较大侧向推力，二次喷射系统快速响应，共同产生矢量推力，调整飞行器姿态。

本发明具有如下有益效果：

由于超音速分离线位置的燃气已经达到了超音速，温度压力相对亚音速段较低，密封问题更容易解决。位于超音速段的喷管运动段在摆动过程中会产生诱导激波，进而使推力矢量偏转角度大于活动件的几何摆角。超音速分离线摆动喷管采用钟型喷管，内部流道由收缩段、喉部和扩张段组成，区别于传统的喷管，该型面的喷管能够产生更大的偏转角，提供更大的侧向推力。

本发明采用四组液体二次喷射装置为超音速分离线摆动喷管提供动力，并通过相应的控制机构进行控制调节。本发明采用液体二次喷射方案，通过将液体喷入喷管扩张段，使以超音速流动的主流受到压缩，使流场产生斜激波，气流流经斜激波后偏离原来方向,与喷管轴线成一定夹角，从而产生一定的推力矢量。

液体二次喷射系统中的所有运动部件(如喷射器的针栓、伺服系统和充气囊等)惯性都很小，受到的摩擦也很小，因此运动较快。喷射剂喷入喷管后，产生推力矢量之余，还可以对分离线密封圈进行润滑作用，从而有效减小运动段与固定段之间的摩擦。喷射剂喷入喷管后，增加了主流的质量和能量，可以增加一部分的主推力。喷射剂由液体贮箱供给，不是从发动机燃烧室抽取，对贮存材料要求不高，并且不会对发动机燃烧室内的压力和流动产生影响。在喷射剂贮箱右侧与喷射剂输送管道相接的地方设置了安全隔膜，作用是防止液体燃料的逆流以及在喷管停止工作时将通路切断。喷射剂输送管道上的流量计用于监测支路上的液体燃料的质量流量，并将误差反馈到压力调节系统，从而使燃料流量稳定准确。本发明使用篦齿式密封结构，多个密封圈和密封槽结构依次降低压力，获得更有效的密封特性。燃烧室，示例中采用管型内燃药柱29，在实际使用中可以根据需要采用不同的药型。喷射剂输送管道采用左右两个环路，中间用四根长管相连接的方式，这样能够保证四个喷嘴喷出液体能够拥有相同的速度和压力，从而保证二次喷射系统工作的精确性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。