CN120576005A - 一种兼具增效变推、相变热防与红外隐身一体化效能的轻质贮氦喷管 - Google Patents

一种兼具增效变推、相变热防与红外隐身一体化效能的轻质贮氦喷管

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CN120576005A CN202510801868.XA CN202510801868A CN120576005A CN 120576005 A CN120576005 A CN 120576005A CN 202510801868 A CN202510801868 A CN 202510801868A CN 120576005 A CN120576005 A CN 120576005A
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王豪
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Abstract

本发明提供了一种兼具增效变推、相变热防与红外隐身一体化效能的轻质贮氦喷管，利用液氦的高相变潜热特性，将液氦直接注入至喷管内部与高温燃气掺混，通过相变吸热、对流换热以及气膜冷却显著降低燃气的温度与喷管材料受到的热应力，实现高效热防护，有效抑制排气羽流红外辐射强度，实现红外隐身效果；利用氦气分子量小的特性，提高混合气体的膨胀做功能力以及发动机的推进效率与比冲，同时，通过注氦流量实时调控，可实现一定程度的推力调节，增强发动机的机动性。本发明设计的复合夹层结构，可以大幅降低喷管壁面的厚度，提高喷管结构强度，进而减轻发动机整体的质量。

Description

一种兼具增效变推、相变热防与红外隐身一体化效能的轻质 贮氦喷管
技术领域
本发明属于发动机喷管技术领域，具体涉及一种兼具增效变推、相变热防与红外隐身一体化效能的轻质贮氦喷管。
背景技术
航天运载器及推进系统需在高温高压极端环境中运行，其动力系统面临喷管喉部材料高温烧蚀的严峻挑战和红外辐射特征信号突出的双重技术难题。喷管作为火箭发动机能量转换的核心部件，其喉部区域承受着高达3000℃的燃气冲刷，同时排出的高温燃气流会产生强烈的热辐射，其红外辐射强度高达106W/sr量级，远超第四代红外成像导引头的探测灵敏度阈值。固体火箭发动机的红外辐射主要来源于高温尾焰(燃气羽流)和发动机壳体表面的热辐射。降低燃气的温度是减少红外特征的核心手段，通常采用以下方法：(1)改进固体推进剂配方并添加降低燃烧温度的添加剂(如含氮化合物、金属氢化物等)以减少羽流温度；(2)在喷管中设计气膜冷却、喷水冷却结构或向尾焰注入冷却介质(如液态水、二氧化碳)以加速燃气降温；(3)在壳体或喷管表面采用高导热材料(如铜合金)或相变材料(如石蜡)以延缓表面温升。然而，根据火箭发动机中的热力学理论，燃气温度降低会直接导致比冲损失，形成红外隐身与推进性能的固有矛盾。
发明内容
本发明的目的在于提供一种兼具增效变推、相变热防与红外隐身一体化效能的轻质贮氦喷管，通过创新的喷管夹层结构与主动冷却机制，提出基于液氦的复合冷却技术。特别面向固体火箭发动机的红外隐身需求，利用液氦超低沸点(4.2K)、高相变潜热(20.7kJ/kg)及低分子量特性，在实现喷管轻量化热防护的同时，还可以通过燃气掺混优化推进性能。
一种兼具增效变推、相变热防与红外隐身一体化效能的轻质贮氦喷管，包括位于外侧的液氦贮箱管和位于内侧的喷管，液氦贮箱管与喷管之间留有中空夹层，在中空夹层中设有液氦管道，在喷管的尾部壁面上开设有微孔阵列；所述液氦管道一端与液氦贮箱管连通，另一端从喷管的首部延伸至尾部并与微孔阵列连通。
进一步地，所述喷管的尾部与发动机的燃烧室连通；
发动机点火前，向液氦贮箱管注入液氦至额定容量；开始预冷，液氦以可控流量注入液氦管道，沿液氦管道流动并渗透至微孔阵列，液氦与喷管的内壁面进行对流换热，迅速降低喷管的内壁面温度，形成初始低温保护层；
发动机工作时，燃烧室内的燃料和氧化剂反应生成的燃气主流进入喷管，液氦在高温燃气的作用下发生汽化相变，80％～90％的氦气与燃气直接掺混，通过热对流换热，小部分氦气附着在喷管的内壁面流动，形成一层低温氦气膜，同时液氦管道内的液氦与喷管的内壁面对流换热；在相变吸热、热对流和气膜冷却协同作用下，液氦降低高温燃气对喷管的壁面和喉部的烧蚀作用，同时抑制排气羽流红外辐射特征。
进一步地，所述喷管包括首部、喉部与尾部，喷管的首部为从入口至出口半径逐渐增大的渐扩段，喷管的尾部为从入口至出口半径逐渐减小的渐缩段。
进一步地，所述液氦以可控流量注入液氦管道，注氦比例根据发动机推力比冲以及红外辐射强度的需求进行调整，具体计算方法为：
使用氦气质量分数xHe表征注氦比例，m为参与混合的燃气质量，mHe为参与混合的氦气质量；
在一定注氦比例下发动机内混合气体的总温的计算方法为：
其中，T0为燃气总温；T0-He为氦气总温；Tmix为混合气体的温度，Cp为燃气的定压比热容；Cp-He为氦气的定压比热容；
喷管出口压强Pe与燃烧室压强Pc的比值由等熵流动方程求解：
其中，Ae为喷管首部渐扩段出口处的截面积；At为喷管的喉部最窄处的截面积；Me为喷管首部渐扩段出口处马赫数；kmix为混合气体的比热比，Cv为燃气的定容比热容，Cv-He为氦气的定容比热容；
混合气体出口速度ue的计算方法为：
其中，R0为通用气体常数；为混合气体的平均分子质量，为参与混合的气体总质量与参与混合的气体摩尔数之比；
发动机的总推力F的计算方法为：
F＝mtotal·ue+(Pe-Pa)Ae
其中，mtotal为喷管首部渐扩段出口处出口混合气体的总质量流量；
发动机的比冲Isp的计算方法为：
其中，g为重力加速度；
气体经过喷管时发生绝热膨胀，温度随压强变化遵循等熵关系式，则混合气体的在喷管出口的温度为Te的计算方法为：
根据波长形式的普朗克黑体辐射定律，解算红外辐射强度：
其中，λ为波长，Bλ为该波长对应的辐射强度；h为普朗克常数；c为光速；kB为玻尔兹曼常数。
进一步地，所述液氦管道上设有流量阀。
进一步地，所述中空夹层中设有支撑肋结构。
进一步地，所述支撑肋结构采用高强度轻质合金，通过拓扑优化设计实现高刚度与低质量，压缩强度≥500MPa，确保中空夹层在15MPa内压下的稳定性，同时支撑肋结构兼具导流功能，引导液氦沿预定路径流动。
进一步地，所述微孔阵列的孔径范围为100μm～500μm，孔隙率5％～15％，微孔采用激光精密加工或增材制造工艺成型，孔轴线与壁面呈30°～45°倾角，避免积碳和颗粒物反向渗入中空夹层。
进一步地，所述喷管的内层壁面采用耐高温烧蚀的碳-碳复合材料，使用化学气相沉积致密化和SiC抗氧化涂层工艺，外层壁面选用力学性能较好的高硅氧材料，经纤维编织增强和溶胶-凝胶致密化处理。
进一步地，所述液氦贮箱的壁面采用30crmnsia内衬与碳纤维壁面结合，在保证结构强度足够的条件下尽量降低贮箱重量。
本发明的有益效果在于：
本发明利用液氦的高相变潜热特性，将液氦直接注入至喷管内部与高温燃气掺混，通过相变吸热、对流换热以及气膜冷却显著降低燃气的温度与喷管材料受到的热应力，实现高效热防护，有效抑制排气羽流红外辐射强度，实现红外隐身效果；利用氦气分子量小的特性，提高混合气体的膨胀做功能力以及发动机的推进效率与比冲，同时，通过注氦流量实时调控，可实现一定程度的推力调节，增强发动机的机动性。本发明设计的复合夹层结构，可以大幅降低喷管壁面的厚度，提高喷管结构强度，进而减轻发动机整体的质量。
附图说明
图1为本发明的总体示意图。
图2为液氦冷却喷管结构的原理示意图。
图3为不同注氦比例下的发动机推力比冲以及红外辐射强度计算方法流程图。
附图标记：1-燃烧室，2-燃烧室壳体，3-喷管，4-液氦贮箱管，5-流量阀，6-液氦管道，7-喷管内层壁面，8-中空夹层(含支撑肋)，9-喷管外层壁面，10-喷管喉衬，11-微孔结构阵列，12-液氦，13-超临界氦，14-夹层流道，15-燃气主流，16-低温氦气膜，17-混合气体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明提供了一种兼具增效变推、相变热防与红外隐身一体化效能的轻质贮氦喷管，如图1所示，包括位于外侧的液氦贮箱管4和位于内侧的喷管3，液氦贮箱管4与喷管3之间留有中空夹层8，在中空夹层8中设有液氦管道6，在喷管3的尾部壁面上开设有微孔阵列11；液氦管道6一端与液氦贮箱管4连通，另一端从喷管3的首部延伸至尾部并与微孔阵列11连通。
喷管3包括首部、喉部10与尾部，喷管3的首部为从入口至出口半径逐渐增大的渐扩段，喷管3的尾部为从入口至出口半径逐渐减小的渐缩段。液氦管道6上设有流量阀5，液氦贮箱管4提供的液氦工质通过流量阀5调节流量。
燃烧室1为圆柱形结构，是推进剂进行燃烧产生燃气的主要场所，喷管3与燃烧室1后端连接，收缩-扩张型喷管，用于将燃气的内能转化为动能，燃烧室1出口端与喷管3入口端通过高强度合金法兰对接，螺栓预紧力配合高温石墨垫片实现密封，可实现燃烧室和喷管多次快速拆卸。液氦贮箱管4为环形贮箱，液氦贮箱管4的外壁面半径与燃烧室壳体2半径相同，以降低空气阻力作用，内壁面与喷管外壁面紧密贴合，使用法兰连接固定。
本发明采用多层复合架构设计，在传统单层结构基础上引入中空夹层8，中空夹层包含夹层流道14和支撑肋，由喷管扩张段延伸至喷管收敛段前端。喷管收敛段前端内层壁面处设计有微孔结构阵列11，液氦可以通过夹层流道14流动至喷管收敛段，然后通过微孔结构进入喷管内部。
中空夹层8从喷管收敛段前20％～50％处开始，贯穿喷管喉部和扩张段，保持夹层各处的横截面面积相同，型面与喷管保持一致。
支撑肋结构采用高强度轻质合金，通过拓扑优化设计实现高刚度与低质量，压缩强度≥500MPa，确保中空夹层8在15MPa内压下的稳定性，同时支撑肋结构兼具导流功能，引导液氦沿预定路径流动。
微孔阵列11的孔径范围为100μm～500μm，孔隙率5％～15％，微孔采用激光精密加工或增材制造工艺成型，孔轴线与壁面呈30°～45°倾角，避免积碳和颗粒物反向渗入中空夹层8。
喷管3的内层壁面采用耐高温烧蚀的碳-碳复合材料，使用化学气相沉积致密化和SiC抗氧化涂层工艺，外层壁面选用力学性能较好的高硅氧材料，经纤维编织增强和溶胶-凝胶致密化处理。液氦贮箱的壁面采用30crmnsia内衬与碳纤维壁面结合，在保证结构强度足够的条件下尽量降低贮箱重量。
发动机点火前，向液氦贮箱管4注入液氦至额定容量；开始预冷，液氦以可控流量注入液氦管道6，沿液氦管道6流动并渗透至微孔阵列11，液氦与喷管3的内壁面进行对流换热，迅速降低喷管3的内壁面温度，形成初始低温保护层；
如图2所示，发动机工作时，燃烧室内的燃料和氧化剂反应生成的燃气主流进入喷管3，液氦在高温燃气的作用下发生汽化相变，80％～90％的氦气与燃气直接掺混，通过热对流换热，小部分氦气附着在喷管3的内壁面流动，形成一层低温氦气膜，同时液氦管道6内的液氦与喷管3的内壁面对流换热；在相变吸热、热对流和气膜冷却协同作用下，液氦降低高温燃气对喷管3的壁面和喉部的烧蚀作用，同时抑制排气羽流红外辐射特征。任务结束后，快速拆卸喷管3和液氦贮箱管4并补充液氦，高压氦气反吹夹层，清除夹层与微孔内的积碳与颗粒物，并检查喷管内壁面材料热疲劳和烧蚀情况。
液氦以可控流量注入液氦管道6，注氦比例根据发动机推力比冲以及红外辐射强度的需求进行调整，具体计算方法为：
使用氦气质量分数xHe表征注氦比例，m为参与混合的燃气质量，mHe为参与混合的氦气质量；
在一定注氦比例下发动机内混合气体的总温的计算方法为：
其中，T0为燃气总温；T0-He为氦气总温；Tmix为混合气体的温度，Cp为燃气的定压比热容；Cp-He为氦气的定压比热容；
喷管3出口压强Pe与燃烧室压强Pc的比值由等熵流动方程求解：
其中，Ae为喷管首部渐扩段出口处的截面积；At为喷管的喉部10最窄处的截面积；Me为喷管首部渐扩段出口处马赫数；kmix为混合气体的比热比，Cv为燃气的定容比热容，Cv-He为氦气的定容比热容；
混合气体出口速度ue的计算方法为：
其中，R0为通用气体常数；M为混合气体的平均分子质量，为参与混合的气体总质量与参与混合的气体摩尔数之比；
发动机的总推力F的计算方法为：
F＝mtotal·ue+(Pe-Pa)Ae
其中，mtotal为喷管首部渐扩段出口处出口混合气体的总质量流量；
发动机的比冲Isp的计算方法为：
其中，g为重力加速度；
气体经过喷管时发生绝热膨胀，温度随压强变化遵循等熵关系式，则混合气体的在喷管出口的温度为Te的计算方法为：
根据波长形式的普朗克黑体辐射定律，解算红外辐射强度：
其中，λ为波长，Bλ为该波长对应的辐射强度；h为普朗克常数；c为光速；kB为玻尔兹曼常数。
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。

Claims (10)

1.一种兼具增效变推、相变热防与红外隐身一体化效能的轻质贮氦喷管，其特征在于：包括位于外侧的液氦贮箱管(4)和位于内侧的喷管(3)，液氦贮箱管(4)与喷管(3)之间留有中空夹层(8)，在中空夹层(8)中设有液氦管道(6)，在喷管(3)的尾部壁面上开设有微孔阵列(11)；所述液氦管道(6)一端与液氦贮箱管(4)连通，另一端从喷管(3)的首部延伸至尾部并与微孔阵列(11)连通。
2.根据权利要求1所述的一种兼具增效变推、相变热防与红外隐身一体化效能的轻质贮氦喷管，其特征在于：所述喷管(3)的尾部与发动机的燃烧室连通；
发动机点火前，向液氦贮箱管(4)注入液氦至额定容量；开始预冷，液氦以可控流量注入液氦管道(6)，沿液氦管道(6)流动并渗透至微孔阵列(11)，液氦与喷管(3)的内壁面进行对流换热，迅速降低喷管(3)的内壁面温度，形成初始低温保护层；
发动机工作时，燃烧室内的燃料和氧化剂反应生成的燃气主流进入喷管(3)，液氦在高温燃气的作用下发生汽化相变，80％～90％的氦气与燃气直接掺混，通过热对流换热，小部分氦气附着在喷管(3)的内壁面流动，形成一层低温氦气膜，同时液氦管道(6)内的液氦与喷管(3)的内壁面对流换热；在相变吸热、热对流和气膜冷却协同作用下，液氦降低高温燃气对喷管(3)的壁面和喉部的烧蚀作用，同时抑制排气羽流红外辐射特征。
3.根据权利要求2所述的一种兼具增效变推、相变热防与红外隐身一体化效能的轻质贮氦喷管，其特征在于：所述喷管(3)包括首部、喉部(10)与尾部，喷管(3)的首部为从入口至出口半径逐渐增大的渐扩段，喷管(3)的尾部为从入口至出口半径逐渐减小的渐缩段。
4.根据权利要求3所述的一种兼具增效变推、相变热防与红外隐身一体化效能的轻质贮氦喷管，其特征在于：所述液氦以可控流量注入液氦管道(6)，注氦比例根据发动机推力比冲以及红外辐射强度的需求进行调整，具体计算方法为：
使用氦气质量分数xHe表征注氦比例，m为参与混合的燃气质量，mHe为参与混合的氦气质量；
在一定注氦比例下发动机内混合气体的总温的计算方法为：
其中，T0为燃气总温；T0-He为氦气总温；Tmix为混合气体的温度，Cp为燃气的定压比热容；Cp-He为氦气的定压比热容；
喷管(3)出口压强Pe与燃烧室压强Pc的比值由等熵流动方程求解：
其中，Ae为喷管首部渐扩段出口处的截面积；At为喷管的喉部(10)最窄处的截面积；Me为喷管首部渐扩段出口处马赫数；kmix为混合气体的比热比，Cv为燃气的定容比热容，Cv-He为氦气的定容比热容；
混合气体出口速度ue的计算方法为：
其中，R0为通用气体常数；为混合气体的平均分子质量，为参与混合的气体总质量与参与混合的气体摩尔数之比；
发动机的总推力F的计算方法为：
F＝mtotal·ue+(Pe-Pa)Ae
其中，mtotal为喷管首部渐扩段出口处出口混合气体的总质量流量；
发动机的比冲Isp的计算方法为：
其中，g为重力加速度；
气体经过喷管时发生绝热膨胀，温度随压强变化遵循等熵关系式，则混合气体的在喷管出口的温度为Te的计算方法为：
根据波长形式的普朗克黑体辐射定律，解算红外辐射强度：
其中，λ为波长，Bλ为该波长对应的辐射强度；h为普朗克常数；c为光速；kB为玻尔兹曼常数。
5.根据权利要求1所述的一种兼具增效变推、相变热防与红外隐身一体化效能的轻质贮氦喷管，其特征在于：所述液氦管道(6)上设有流量阀(5)。
6.根据权利要求1所述的一种兼具增效变推、相变热防与红外隐身一体化效能的轻质贮氦喷管，其特征在于：所述中空夹层(8)中设有支撑肋结构。
7.根据权利要求6所述的一种兼具增效变推、相变热防与红外隐身一体化效能的轻质贮氦喷管，其特征在于：所述支撑肋结构采用高强度轻质合金，通过拓扑优化设计实现高刚度与低质量，压缩强度≥500MPa，确保中空夹层(8)在15MPa内压下的稳定性，同时支撑肋结构兼具导流功能，引导液氦沿预定路径流动。
8.根据权利要求1所述的一种兼具增效变推、相变热防与红外隐身一体化效能的轻质贮氦喷管，其特征在于：所述微孔阵列(11)的孔径范围为100μm～500μm，孔隙率5％～15％，微孔采用激光精密加工或增材制造工艺成型，孔轴线与壁面呈30°～45°倾角，避免积碳和颗粒物反向渗入中空夹层(8)。
9.根据权利要求1所述的一种兼具增效变推、相变热防与红外隐身一体化效能的轻质贮氦喷管，其特征在于：所述喷管(3)的内层壁面采用耐高温烧蚀的碳-碳复合材料，使用化学气相沉积致密化和SiC抗氧化涂层工艺，外层壁面选用力学性能较好的高硅氧材料，经纤维编织增强和溶胶-凝胶致密化处理。
10.根据权利要求1所述的一种兼具增效变推、相变热防与红外隐身一体化效能的轻质贮氦喷管，其特征在于：所述液氦贮箱的壁面采用30crmnsia内衬与碳纤维壁面结合，在保证结构强度足够的条件下尽量降低贮箱重量。
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