一种有效增大药柱燃面的装药构型及电控发动机

技术领域

本发明属于固体火箭发动机技术领域，涉及电控固体火箭发动机，具体是一种有效增大药柱燃面的装药构型及电控发动机。

背景技术

电控固体火箭发动机利用了电控固体推进剂燃熄可控、燃速可调的电化学特性，可以实现发动机的启停可控和推力可调能力，同时兼具固体发动机结构简单、安全可靠及长期贮存等优点，具有重要的应用前景和军事应用价值，成为国内外研究的热点。

电控固体发动机的基本组成包括：壳体、喷管、药柱、电极等。根据电极的构型不同，电控固体火箭发动机主要分为两类：一是基于嵌入式电极的微型推进装置，产生的推力为微牛、毫牛量级，主要应用于为卫星提供动力；二是基于端面电极的发动机，推力在几十牛至百牛量级，由于推力不高，国外正在尝试将其应用于导弹姿轨控系统，就目前的推力水平看无法应用于导弹主动力。

影响固体火箭发动机推力的因素，除了推进剂本身的性能，例如密度、比冲、燃速等，还有燃烧面积。在推进剂性能相同的情况下，推力与燃烧面积成正比。电控固体发动机的燃烧面积与电极和装药的构型有关，现行基于端面电极的发动机方案中，药柱为圆柱形状，其与电极一起沿发动机轴向布置，例如申请公布号为CN107642435A中国发明专利公布了一种推力可调、可多次启动电控固体推进剂火箭发动机，第六届空天动力联合会议论文《基于正负交错螺旋型单端面电极的电控固体发动机试验验证》中的发动机样机等。

上述电控固体发动机电极和装药构型，其燃烧面积理论上等于药柱的横截面积，目前基于端面电极的发动机药柱供给机构主要采用压缩弹簧，受压缩弹簧自身特点的限制，电控固体发动机药柱的横截面积被限制在很小的范围，一般不超过100mm～200mm，进而限制了电控发动机推力的提高，制约了其应用。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种有效增大药柱燃面的装药构型及电控发动机，解决现有技术中装药与电极构型限制了发动机燃烧面积和推力的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种有效增大药柱燃面的装药构型，包括外壳，所述的外壳包括依次相连的前封头、壳体和喷管，所述的前封头、壳体和喷管形成容腔，所述的容腔内部设置有前挡板和后挡板，所述的前挡板将容腔分为气源腔和药柱存储腔；

所述的药柱存储腔的内部设置有第一电极组和第二电极组，所述的第一电极组包括第一导电板和多个第一电极，该多个第一电极均匀设置并围成一空心柱，每个所述的第一电极的一端均固定在第一导电板上；所述的第二电极组包括第二导电板和多个第二电极，该多个第二电极均匀设置并围成一空心柱，该空心柱与第一电极围成的空心柱半径相等，每个所述的第二电极的一端均固定在第二导电板上，且第一电极与第二电极交替设置共同围成一个电极空心柱，且第一电极与第二电极不接触；所述的第一导电板固定在前挡板的轴向后端面上，第二导电板固定在后挡板的轴向前端面上；

所述的电极空心柱的外侧沿周向均匀设置有多个药柱，所述的电极空心柱和药柱形成的整体的外部包覆有一个隔离膜，相邻的药柱之间分别设置有隔离块，所述的隔离块对应位置处的隔离膜位于隔离块与电极空心柱之间；

所述的隔离膜将药柱存储腔分为驱动气腔和燃烧室；

所述的前挡板上沿周向设置有连通气源腔和驱动气腔的通孔，所述的通孔中设置有单向阀；

所述的药柱和第一导电板之间设置有第一绝缘环；所述的药柱和第二导电板之间设置有第二绝缘环，且第一绝缘环和第二绝缘环分别位于隔离膜之内且将隔离膜的两端分别压在第一导电板的轴向后端面和第二导电板的轴向前端面上。

本发明还包括以下技术特征：

所述的第一导电板与前挡板之间和第二导电板与后挡板之间均设置有密封层。

所述的第一绝缘环的径向外侧设置有第一衬环，所述的第二绝缘环的径向外侧设置有第二衬环，所述的第一衬环和第二衬环分别将隔离膜的前后两端压紧在第一绝缘环和第二绝缘环的外壁上。

所述的第一衬环上设置有与前挡板上的通孔对应的通孔。

所述的壳体和喷管之间通过螺栓固定连接。

所述的壳体上设置有接管咀。

一种电控发动机，包括所述的有效增大药柱燃面的装药构型。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(Ⅰ)本申请中通过第一电极和第二电极交替设置且相邻电极之间距离很小，且第一电极和第二电极仅有一面与药柱接触，因此是单面燃烧方式，与现行内外电极之间夹药柱的结构相比，通电时电流无需通过整个推进剂药柱，只需要在两个电极之间形成通路，而第一电极和第二电极之间形成的通路距离小，进而形成的负载较小，再同一电压下，所需的供电功率小，大大降低了供电功率。

(Ⅱ)本申请中通过电极空心柱和药柱形成的整体的外部包覆有隔离膜，隔离膜的弹性驱动药柱向电极方向移动，当药柱燃烧后，驱动气腔的体积增大而压强减小时，通过气源腔补充驱动气腔的压强，通过隔离膜的气压驱动药柱进给，与现有方案中采用弹簧驱动药柱进给的方案相比，药柱所受的驱动力均匀，进而药柱的移动较平稳，药柱与电极之间的接触力也较稳定，确保了发动机的燃烧稳定度。

(Ⅲ)本申请中通过在发动机内部径向上布置电极和药柱，与现行同样基于端面电极而采用轴向布置的方案相比，本申请中的燃烧面积近似等于电极空心柱的侧面积，且该面积可以根据发动机的需要进行设计，随着电极的轴向长度的增大而增大，可以显著增大发动机装药的燃烧面积，提高发动机的工作压强和推力，解决了现有技术中装药与电极构型限制了发动机燃烧面积和推力的技术问题。

附图说明

图1为本发明的整体结构剖视图；

图2为本发明的部分解雇剖视图；

图3为本发明的整体结构示意图；

图4为本发明中第一电极组和第二电极组的装配结构示意图；

图5为本发明中局部结构放大图；

图6为本发明中壳体处的剖视图。

图中各个标号的含义为：1-外壳，2-容腔，3-前挡板，4-后挡板，5-第一电极组，6-第二电极组，7-药柱，8-隔离块，9-隔离膜，11-单向阀，12-第一绝缘环，13-第二绝缘环，14-第一衬环，15-第二衬环，16-螺栓，17-接管咀；

101-前封头，102-壳体，103-喷管；

201-气源腔，202-药柱存储腔；

20201-驱动气腔，20202-燃烧室；

501-第一导电板，502-第一电极；

601-第二导电板，602-第二电极。

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

需要说明的是，本发明中的所有零部件，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的零部件。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例给出了一种有效增大药柱燃面的装药构型，如图1至图6所示，包括外壳1，外壳包括依次相连的前封头101、壳体102和喷管103，前封头101、壳体102和喷管103形成容腔2，容腔2内部设置有前挡板3和后挡板4，前挡板3将容腔2分为气源腔201和药柱存储腔202；

药柱存储腔202的内部设置有第一电极组5和第二电极组6，第一电极组5包括第一导电板501和多个第一电极502，该多个第一电极502均匀设置并围成一空心柱，每个第一电极502的一端均固定在第一导电板501上；第二电极组6包括第二导电板601和多个第二电极602，该多个第二电极602均匀设置并围成一空心柱，该空心柱与第一电极501围成的空心柱半径相等，每个第二电极602的一端均固定在第二导电板601上，且第一电极502与第二电极602交替设置共同围成一个电极空心柱，且第一电极502与第二电极602不接触；第一导电板501固定在前挡板3的轴向后端面上，第二导电板601固定在后挡板4的轴向前端面上；

电极空心柱的外侧沿周向均匀设置有多个药柱7，电极空心柱和药柱7形成的整体的外部包覆有一个隔离膜9，相邻的药柱7之间分别设置有隔离块8，隔离块8对应位置处的隔离膜9位于隔离块8与电极空心柱之间；

隔离膜9将药柱存储腔202分为驱动气腔20201和燃烧室20202；

前挡板3上沿周向设置有连通气源腔201和驱动气腔20201的通孔10，通孔10中设置有单向阀11；

药柱7和第一导电板501之间设置有第一绝缘环12；药柱7和第二导电板601之间设置有第二绝缘环13，且第一绝缘环12和第二绝缘环13分别位于隔离膜9之内且将隔离膜9的两端分别压在第一导电板501的轴向后端面和第二导电板601的轴向前端面上。

在上述技术方案中，第一电极502和第二电极602交替设置且相邻电极之间距离很小，且第一电极502和第二电极602仅有一面与药柱7接触，因此是单面燃烧方式，与现行内外电极之间夹药柱的结构相比，通电时电流无需通过整个药柱7，只需要在第一电极502和相邻的第二电极602之间形成通路，而第一电极和第二电极之间形成的通路距离小，进而形成的负载较小，在同一电压下，所需的供电功率小，大大降低了供电功率。

电极空心柱和药柱7形成的整体的外部周向包覆有隔离膜9，第一绝缘环12和第二绝缘环13对电机空心柱两端与其径向外围起到绝缘作用，同时，第一绝缘环12和第二绝缘环13将隔离膜9的两端分别压紧在第一导电板501的轴向后端面和第二导电板601的轴向前端面上，能够在隔离膜9的外部形成局部密封结构，防止了燃烧室20202内的燃气进入气源腔201和驱动气腔20201，隔离膜的弹性驱动药柱7向电极方向移动(即沿径向移动)，当药柱7开始燃烧后逐渐变薄，由于隔离膜9的径向压缩作用使得驱动气腔20201的体积增大而压强减小，由于气源腔201内预先充填有高压气体，药柱7燃烧过程中，高压气体从气源腔201经通孔10和单向阀11实时向驱动气腔20201通入且不倒流，从而实时补充驱动气腔20201的压强，以确保隔离膜9向内沿径向压缩从而驱动药柱7沿径向进给；与现有方案中采用弹簧驱动药柱进给的方案相比，药柱7所受的驱动力均匀，进而药柱的移动较平稳，药柱与电极之间的接触力也较稳定，确保了发动机的燃烧稳定度且实现充分燃烧。

通过在发动机内部径向上布置电极和药柱，与现行同样基于端面电极而采用轴向布置的方案相比，本申请中的燃烧面积近似等于电极空心柱的侧面积，且该面积可以根据发动机的需要进行设计，随着电极的轴向长度的增大而增大，可以显著增大发动机装药的燃烧面积，提高发动机的工作压强和推力，解决了现有技术中装药与电极构型限制了发动机燃烧面积和推力的技术问题。

具体的，第一导电板501与前挡板3之间和第二导电板601与后挡板4之间均设置有密封层，具体可以通过涂抹密封胶实现，用于实现气源腔201和药柱存储腔202之间的密封效果。

具体的，第一绝缘环12的径向外侧设置有第一衬环14，第二绝缘环13的径向外侧设置有第二衬环15，第一衬环14和第二衬环15分别将隔离膜9的前后两端压紧在第一绝缘环12和第二绝缘环13的外壁上。

上述结构设计中，通过第一衬环14和第二衬环15分别将隔离膜9的前后两端压紧在第一绝缘环12和第二绝缘环13的外侧壁上，进一步加强了驱动气腔20201的密闭性，防止了燃烧室20202内的燃气进入气源腔201和驱动气腔20201。

具体的，第一衬环14上设置有与前挡板3上的通孔10对应的通孔。该结构设计保证了气源腔201与驱动气腔20201的连通，确保了气源腔201的高压气体能够流入驱动气腔20201。

具体的，壳体102和喷管103之间通过螺栓16固定连接，螺栓连接简单方便。

具体的，壳体102上设置有接管咀17，设置接管咀17用于第一电极和第二电极的导线穿出。

实施例2：

一种电控发动机，包括有效增大药柱燃面的装药构型。