固冲发动机可调喷管
技术领域
本实用新型涉及航空航天发动机技术领域，特别是涉及固冲发动机可调喷管。
背景技术
飞行器在飞行时，尾喷管的作用是使燃气继续膨胀，将其中剩余的热转变为动能，从而使得燃气能够以很高的速度喷出。固体火箭冲压发动机是目前应用非常广泛的发动机，其设计时采用一体式设计。由于固体火箭冲压发动机工作时马赫数有较大的变化，为适应这种较大的马赫数变化，固体火箭冲压发动机尾喷管应该可以连续改变其截面面积，这样才能使火箭在高速运动时有着良好的飞行性能。
目前效果比较好的可调喷管设计有两种，一种是内蒙古工业大学庞月华等设计的与航空燃气涡轮发动机AVEN喷管类似的火箭发动机喷管，此喷管的超声速段是固定的、有两个用于前后移动进行调节的调节圆环、其中扩张段的结构组成是为调节片和密封片间隙配合组成。另一种是WP7发动机尾喷管可调设计，该喷管通过动作筒对调节环施力使其前后移动，然后与调节片上的凸台进行作用，从而实现对喷口大小的各种形态调节。
然而，包括上述两种可调喷管在内的大多数可调喷管设计都存在密封性差的问题，导致发动机因高温高压燃气泄漏造成的效率降低。
实用新型内容
本实用新型实施例提供了固冲发动机可调喷管，可以解决现有技术中存在的问题。
本实用新型提供了固冲发动机可调喷管，包括亚声速段、超声速段、喉部密封件、入口固定环和出口固定环，所述亚声速段包括亚声速调节片和亚声速密封片，所述亚声速调节片和亚声速密封片均为多个且数量相同，每个所述亚声速密封片均安装在两个相邻的所述亚声速调节片之间，用以密封相邻两个所述亚声速调节片之间的空隙，所述亚声速调节片的后端转动连接在所述入口固定环的内侧壁；
所述超声速段包括超声速调节片和超声速密封片，所述超声速调节片和超声速密封片均为多个且数量相同，每个所述超声速密封片均安装在两个相邻的所述超声速调节片之间，用以密封相邻两个所述超声速调节片之间的空隙，所述超声速调节片的后端转动连接在所述出口固定环的内侧壁；
所述亚声速调节片的前端和超声速调节片的前端均转动连接在所述喉部密封件上，所述喉部密封件用以密封亚声速调节片的前端和超声速调节片前端之间的空隙；
所述亚声速段外侧套接有调节圆环，该调节圆环的内侧面抵持在多个所述亚声速调节片的外侧面，所述亚声速段和入口固定环的外部套接有亚声速外罩，所述超声速段和出口固定环外部套接有超声速外罩，所述亚声速外罩和超声速外罩固定连接在一起，所述超声速外罩的内侧面固定安装有多个直线电机，所述直线电机末端的连接头与所述调节圆环的外侧面连接，所述入口固定环固定安装在亚声速外罩的内侧面上，所述出口固定环滑动安装在超声速外罩的内侧面上。
本实用新型中的固冲发动机可调喷管，包括亚声速段、超声速段、喉部密封件、入口固定环、出口固定环、亚声速外罩和超声速外罩，亚声速段由多个亚声速调节片和密封片组成，超声速段由多个超声速调节片和密封片组成，亚声速段一端转动连接在入口固定环上，另一端与喉部密封件转动连接，超声速段一端转动连接在出口固定环上，另一端与后部连接件转动连接，亚声速外罩和超声速段外罩分别套设在亚声速段和超声速段外侧且固定连接在一起，超声速外罩内侧面具有多个直线电机，直线电机的末端连接在套设于亚声速段外侧的调节圆环上。本实用新型使用亚声速密封片、超声速密封片和喉部密封件对整个喷管的内部进行密封，仅需要在高温高压燃气的推动下即可实现有效密封，且连接结构简单，提升了燃气的利用效率和结构的便捷性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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获得其他的附图。
图1为本实用新型提供的固冲发动机可调喷管的整体结构图；
图2为亚声速调节片的结构示意图；
图3为亚声速调节片和入口固定环的连接结构示意图；
图4为亚声速密封片的结构示意图；
图5为亚声速调节片和亚声速密封片之间的连接状态示意图；
图6为亚声速密封片和入口固定环的安装状态示意图；
图7为超声速调节片的结构示意图；
图8为超声速调节片的前端结构示意图；
图9为超声速调节片的后端结构示意图；
图10为超声速调节片与出口固定环的连接结构示意图；
图11为喉部密封件的结构示意图；
图12为亚声速调节片、超声速调节片和喉部密封件的连接状态示意图；
图13为图12中连接结构的俯视状态图；
图14为超声速密封片的结构示意图；
图15为超声速密封片和出口固定环的安装状态示意图；
图16为亚声速密封片和超声速密封片的安装状态示意图；
图17为入口固定环的结构示意图；
图18为出口固定环的结构示意图；
图19为滑动机匣的结构示意图；
图20为调节圆环的结构示意图；
图21为直线电机的结构示意图；
图22为亚声速外罩的结构示意图；
图23为超声速外罩的结构示意图；
图24为外罩固定圈的结构示意图；
图25为外罩固定圈连接在一起的状态示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
参照图1-图25，本实用新型的固冲发动机可调喷管主要包括亚声速段100、超声速段200、喉部密封件300、入口固定环400和出口固定环500，所述亚声速段100包括亚声速调节片1100和亚声速密封片1200，所述亚声速调节片1100 和亚声速密封片1200均为多个且数量相同，每个所述亚声速密封片1200均安装在两个相邻的所述亚声速调节片1100之间，起到密封的作用，所述亚声速调节片1100的后端转动连接在所述入口固定环400的内侧壁。
所述超声速段200包括超声速调节片2100和超声速密封片2200，所述超声速调节片2100和超声速密封片2200均为多个且数量相同，每个所述超声速密封片2200均安装在两个相邻的所述超声速调节片2100之间，起到密封的作用，所述超声速调节片2100的后端转动连接在所述出口固定环500的内侧壁。
所述亚声速调节片1100的前端和超声速调节片2100的前端均转动连接在所述喉部密封件300上，且所述喉部密封件300密封亚声速调节片1100的前端和超声速调节片2100前端之间的空隙。下面将对每个部件的结构和连接方式进行具体介绍。
所述亚声速调节片1100在长度方向上为平面板，在宽度方向上为弧形板，其后端和前端分别固定安装有亚声速后端调节弧板1101和亚声速前端调节弧板1102，同时所述亚声速调节片1100的后端和前端分别固定有亚声速后端接耳1103和亚声速前端接耳1104，本实施例中所述亚声速后端接耳1103的数量为两个且相对设置，所述亚声速前端接耳1104的数量为一个。所述入口固定环 400的内侧面固定安装有多个入口固定耳410，所述亚声速调节片1100后端的两个亚声速后端接耳1103卡在一个所述入口固定耳410两侧，并使用销钉铰接在一起。同时所述入口固定环400的内侧面开设有调节凹槽，所述亚声速调节片1100后端的亚声速后端调节弧板1101卡在该调节凹槽中，当亚声速调节片 1100绕销钉转动时所述亚声速后端调节弧板1101即在调节凹槽中移动，起到一定的密封效果。
所述亚声速调节片1100的外侧面中央固定安装有连接凸起1105，该连接凸起1105上开设有沿所述亚声速调节片1100的宽度方向延伸的连接孔。同时，所述亚声速调节片1100外侧面在宽度方向的两端分别具有亚声速连接凸边 1106，该亚声速连接凸边1106用于与所述亚声速密封片1200连接。
所述亚声速密封片1200在长度方向上为平面板，在宽度方向上为弧形板，其在后端和前端分别固定有亚声速后端密封弧板1201和亚声速前端密封弧板 1202，所述亚声速密封片1200的外侧面固定安装有至少一个亚声速连接件1203，所述亚声速连接件1203包括纵截面为T型的主体，该主体的下端固定在亚声速密封片1200的外侧面，上侧两端的下表面分别固定有挡片，该挡片的下端与所述亚声速密封片1200的外侧面距离小于所述亚声速调节片1100上亚声速连接凸边1106的高度，因此当所述亚声速连接凸边1106插入到亚声速连接件1203 中主体和挡片之间的空间后能够达到稳定的连接，如图5所示。本实施例中，所述亚声速连接件1203的数量为两个，沿所述亚声速密封片1200外侧面长度方向的中线分布。
所述入口固定环400的内侧面上开设有密封凹槽，所述亚声速密封片1200 后端的亚声速后端密封弧板1201插入在该密封凹槽中，当亚声速密封片1200 随着亚声速调节片1100一起转动时，其后端的亚声速后端密封弧板1201在密封凹槽中移动，起到一定的密封效果。
所述超声速调节片2100在长度方向上为平面板，在宽度方向上为弧形板，其后端和前端分别固定安装有超声速后端调节弧板2101和超声速前端调节弧板2102，同时所述超声速调节片2100的后端和前端分别固定有超声速后端接耳2103和超声速前端接耳2104，本实施例中所述超声速后端接耳2103的数量为两个且相对设置，所述超声速前端接耳2104的数量为一个。所述出口固定环 500的内侧面固定安装有多个出口固定耳510，所述超声速调节片2100后端的两个超声速后端接耳2103卡在一个所述出口固定耳510两侧，并使用销钉铰接在一起。同时所述出口固定环500的内侧面开设有调节凹槽，所述超声速调节片2100后端的超声速后端调节弧板2101卡在该调节凹槽中，当超声速调节片 2100绕销钉转动时所述超声速后端调节弧板2101即在调节凹槽中移动，起到一定的密封效果。
所述超声速调节片2100外侧面在宽度方向的两端分别具有超声速连接凸边2105，该超声速连接凸边2105用于与所述超声速密封片2200连接。
所述喉部密封件300包括喉部接耳310和喉部连接板320，所述喉部连接板320在长度和宽度方向上均具有弧度，所述喉部接耳310固定在喉部连接板 320外侧面的中央。
连接时，所述亚声速调节片1100前端的亚声速前端接耳1104和超声速调节片2100前端的超声速前端接耳2104分别位于所述喉部密封件300中喉部接耳310的两侧，并使用销钉铰接在一起。所述亚声速调节片1100前端的亚声速前端调节弧板1102和超声速调节片2100前端的超声速前端调节弧板2102则位于所述喉部密封件300中喉部连接板320的内侧面，且与该内侧面紧密贴合，当亚声速调节片1100和超声速调节片2100绕销钉转动时，亚声速前端调节弧板1102和超声速前端调节弧板2102即紧贴着喉部连接板320的内侧面滑动，使亚声速调节片1100和超声速调节片2100在连接处能够保持密封。
所述超声速密封片2200在长度方向上为平面板，在宽度方向上为弧形板，其在后端和前端分别固定有超声速后端密封弧板2201和超声速前端密封弧板 2202，所述超声速密封片2200的外侧面固定安装有至少一个超声速连接件2203，所述超声速连接件2203包括纵截面为T型的主体，该主体的下端固定在超声速密封片2200的外侧面，上侧两端的下表面分别固定有挡片，该挡片的下端与所述超声速密封片2200的外侧面距离小于所述超声速调节片2100上超声速连接凸边2105的高度，因此当所述超声速连接凸边2105插入到超声速连接件 2203中主体和挡片之间的空间后能够达到稳定的连接。本实施例中，所述超声速连接件2203的数量为两个，沿所述超声速密封片2200外侧面长度方向的中线分布。
所述出口固定环500的内侧面上开设有密封凹槽，所述超声速密封片2200 后端的超声速后端密封弧板2201插入在该密封凹槽中，当超声速密封片2200 随着超声速调节片2100一起转动时，其后端的超声速后端密封弧板2201在密封凹槽中移动，起到一定的密封效果。
当所述亚声速密封片1200安装在亚声速调节片1100上，以及所述超声速密封片2200安装在超声速调节片2100上后，所述亚声速密封片1200前端的亚声速前端密封弧板1202和超声速密封片2200前端的超声速前端密封弧板2202 即紧贴在一起，且在亚声速密封片1200和超声速密封片2200转动时，所述亚声速前端密封弧板1202和超声速前端密封弧板2202也能保持紧密贴合，进一步提升密封效果。
本实施例中，所述入口固定环400内侧面上的入口固定耳410数量为三十六个(图仅示出部分)，因此所述亚声速调节片1100、亚声速密封片1200、超声速调节片2100、超声速密封片2200和喉部密封件300的数量也均为三十六个，相应地，所述出口固定环500内侧面上的出口固定耳510数量也为三十六个(图仅示出部分)。所述出口固定环500外侧面上还均匀分布有三十六个条状滑槽520。
为了确保所述出口固定环500只能在水平方向上移动，所述出口固定环500 的外部还套接有滑动机匣530，该滑动机匣530为两端开口的管状结构，其内径与所述出口固定环500的外径相当，而且所述滑动机匣530的内侧面上具有多个与所述条状滑槽520匹配的条状凸台540。当所述滑动机匣530套接在出口固定环500外部后，所述条状凸台540即一一对应的插入到条状滑槽520中。
多个所述亚声速调节片1100组成的圆台状结构外侧套接有调节圆环600，所述调节圆环600的内侧面抵持在所述亚声速调节片1100上的连接凸起1105 上，二者之间可以产生相对滑动。当所述调节圆环600受驱动朝向所述入口固定环400移动时，所述调节圆环600对亚声速调节片1100上的连接凸起1105 外曲面施加压力，以驱动所述亚声速调节片1100内旋，喷管喉部(喷管最小直径处)直径缩小；当所述调节圆环600受驱动朝向所述出口固定环500移动时，所述调节圆环600对亚声速调节片1100上的连接凸起1105施加的压力消失，所述亚声速调节片1100在喷管内部气压(内压大于外压)作用下外旋，喷管喉部直径放大。所述调节圆环600的外侧面上固定安装有多组外接耳610，每组中所述外接耳610的数量为两个。
由于所述调节圆环600已经安装在了亚声速段100外部，为了推动所述调节圆环600前后移动进而带动喉部的直径发生变化，本实用新型中使用直线电机来驱动所述调节圆环600进行移动。所述直线电机包括机体700、连接杆720 和驱动件730，所述机体700内部具有可沿其轴线移动的驱动杆，该驱动杆与插入至所述机体700内部的安装筒710固定连接，所述安装筒710远离驱动杆的一端位于机体700外部，该位于机体700外部的一端具有内螺纹，所述连接杆720的两端均具有外螺纹，其一端与所述安装筒710的内螺纹螺接，另一端与所述驱动件730上的内螺纹螺接。所述驱动件730远离连接杆720的一端具有连接头，该连接头插在一组的两个所述外接耳610之间，并使用销钉铰接。
所述安装筒710与连接杆720的螺纹联接以及连接杆720与驱动件730的螺纹联接共同实现对安装筒710、连接杆720和驱动件730整体长度的调节，目的是调试时对整体长度进行微调，保证各个直线电机对调节圆环600同步施力。调试完成后，所述安装筒710与连接杆720的螺纹联接以及连接杆720与驱动件730的螺纹联接需打保险锁紧，使安装筒710、连接杆720和驱动件730 成为一个整体，仅在所述机体700的带动下调节长度。
为了保持本实用新型中可调喷管的整体性以及为了安装所述直线电机，所述亚声速段100和入口固定环400的外部套接有亚声速外罩800，所述超声速段200和出口固定环500外部套接有超声速外罩900，所述超声速外罩900的侧面上开设有多个安装孔，所述直线电机的机体700外侧面开设有多个安装槽 (图未示)，该安装槽中具有内螺纹。安装时，多个螺杆一一对应的插入并穿过所述超声速外罩900上的安装孔，螺杆伸入的末端螺接在所述机体700外侧面的安装槽中。所述滑动机匣530则固定在超声速外罩900的内侧面上，所述入口固定环400固定安装在亚声速外罩800的内侧面上。
为了将所述亚声速外罩800和超声速外罩900连接在一起，所述亚声速外罩800一端的外侧面上具有卡接凸台，所述超声速外罩900一端的外侧面上也具有卡接凸台，当所述亚声速外罩800和超声速外罩900具有卡接凸台的一端抵持在一起时，使用两个外罩固定圈910将所述亚声速外罩800和超声速外罩 900固定连接在一起。具体地，所述外罩固定圈910为半环形的杆，其两端分别具有螺杆连接头911，该螺杆连接头911上开设有多个连接孔，且所述外罩固定圈911的内侧面开设有宽度与所述亚声速外罩800和超声速外罩900上卡接凸台厚度之和相当的凹槽，两个所述外罩固定圈910相对抵持在一起，所述亚声速外罩800和超声速外罩900上的卡接凸台即插在所述外罩固定圈910内侧面的凹槽中，使用多个螺杆穿过所述螺杆连接头911上的连接孔后即可将两个所述外罩固定圈910固定连接在一起，进而将所述亚声速外罩800和超声速外罩900固定连接在一起。
本实用新型的可调喷管在工作时，直线电机在受控的状态下同步伸长或者缩短，驱动调节圆环600前后移动，在调节圆环600的带动下亚声速调节片1100 发生转动，带动后部连接件300构成的圆的直径发生相应变化，即实现喉部大小调节。在喉部密封件300的带动下，超声速调节片2100发生转动，并且带动出口固定环500在滑动机匣530内部沿水平方向滑动。
尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
