固體火箭發動機噴管是如何密封的?

噴管在搖臂控制下會做搖擺,和燃燒腔之間有縫隙,一般的結構肯定無法密封。美國太空梭的SRB也是因為密封圈損壞失事。以前我以為是彈性材料,但仔細一想不可能……


更:根據大家的反饋意見又去找了我司工程師(已經出差到另外一個城市了)關於密封的問題他是這麼說的:

柔性噴管的柔性件本身是自密封,噴管本體與燃燒室連接一般採用法蘭連接,法蘭連接面上一般採用密封圈密封形式進行連接結構密封。

今天中午發現 @孟德爾 大大提出了這個問題,立刻馬上去找了我們的動力工程師求答案。希望孟大滿意~


固體火箭發動機作為飛行器的動力裝置,必須根據飛行器的不同要求進行推力控制。推力控制包括推力方向、推力大小及推力終止的控制。固體火箭發動機與液體火箭發動機不同,其推力控制,尤其是推力方向控制,主要是通過固體火箭發動機的噴管來實施,技術上的難度比液體火箭發動機大。

固體火箭發動機控制力的產生主要是依靠改變噴管出口排氣方向獲得側向力,也就是控制推力方向獲得側向力。目前常用的推力方向控制方案主要是:

  • 柔性噴管
  • 燃氣舵
  • 液體二次噴射
  • 軸承擺動噴管

柔性噴管

柔性噴管是一種藉助柔性接頭實施噴管擺動,達到推力方向控制目的的擺動噴管。由於柔性接頭具有抗軸向外力的能力,而在剪切外力的作用下又能變形,而且本身又具有較好的密封性,所以柔性噴管的性能要比軸承擺動噴管以及其他類型的擺動噴管更優越,與軸承擺動噴管相比,它具有以下優點:

  1. 能作全軸擺動,能滿足大側向力的要求;
  2. 擺動時噴管內流場干擾小,推力損失小;
  3. 柔性噴管的固有頻率較高,能適應快速響應的要求;
  4. 柔性噴管擺動性能重複性比較好;
  5. 柔性接頭具有自緊密封的作用,因此工作 可靠性高;
  6. 柔性接頭可重複使用,因此成本較低;
  7. 柔性接頭結構簡單,工藝性好

柔性噴管由活動體、固定體及柔性接頭3大部件組成,噴管擺動的執行部件是柔性接頭。柔性接頭是由若干同心的環狀球體的彈性件和增強件相互交替地粘接在一起,前後各有法蘭組成的一個完整部件。彈性材料主要是天然橡膠;增強件材料是鋼或碳纖維複合材料。由於橡膠的體積壓縮模量比剪切模量大15000倍左右,所以柔性接頭在受到強大的軸向載荷作用時,軸向變形較小,而在較小的側向作動力的作用下,能產生較大的剪切變形,從而使噴管擺動。

關於密封性的問題:柔性噴管的柔性件本身是自密封,噴管本體與燃燒室連接一般採用法蘭連接,法蘭連接面上一般採用密封圈密封形式進行連接結構密封。


燃氣舵

燃氣舵是最早應用於火箭發動機推力方向控制的一種方案。由於他具有結構簡單、作動力矩小、伺服系統質量小及噴管不擺動等優點,所以我們零壹空間自研的固體發動機採用的此方案。

燃氣舵的工作環境比較惡劣,從發動機開始工作一直到結束,燃氣舵始終處於高速高溫的燃氣流中,因此對燃氣舵的材料要求比較苛刻,要求材料在高溫下具有較強的熱強度和抗燒蝕性能。石墨是一種燒蝕性能良好的材料。它適合於做燃氣舵,尤其適合液體火箭發動機。因為液體火箭發動機的燃氣不含固體顆粒,另外燃氣的溫度也較低。固體火箭發動機因為燃氣含有較多的固體顆粒,對艙面機械沖刷嚴重,使艙的幾何外形發生很大變化。所以在固體火箭發動機上用石墨作燃氣艙就不太適合。只適用於工作時間較短的固體火箭發動機。

鎢及鎢鉬合金是燃氣艙的一種優良材料,熔點高、熱強度好,所以抗燒蝕、抗沖刷及抗熱震性能好。唯一缺點是材料密度大,燃氣艙的質量大。

發動機試車完成後的燃氣舵


咳咳,最後想說明的是,以上內容木有涉密內容哈(和同事確認了好幾遍)~有任何問題隨時和小十七反饋~感謝大家關注!~


簡單答案:碳-酚醛樹脂密封圈。

評價:

題主的眼神確實犀利。

以下一篇報道似乎可以算作一個回答。

太空梭助推器密封圈允許連接處有裂紋_愛學術


法蘭或者螺紋連接,中間用密封圈密封。噴管整體上受力並不是很大


我認為是依靠擺管機構提供的拉力和凹形提供的密封性。擺管由三分之一的球和擴張行的圓規柱組成。靠貼著燃料的是一定厚度的酚醛樹脂,在之後的是硬化的石墨,最後的是一層金屬,酚醛樹脂提供抗高溫,硬化的石墨提供潤滑,金屬層提供抗壓力,在酚醛樹脂與石墨製造一定形狀,將噴管的球形物品放在那裡,由擺管機構提供一定拉力使噴管與石墨之間密封起來。


不密封不行么 想辦法引導氣體繼續返回


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