本发明专利技术公开的一种基于柔性材料变扩张比的高度补偿喷管实验装置，属于发动机喷管实验领域。本发明专利技术包括玻璃盖板、弹簧、橡胶夹板、橡胶、驱动器推杆、喷管固定段、拉力器、驱动器底座。连续式柔性延伸喷管包括基础喷管、刚性延伸杆和柔性展开裙。柔性延伸喷管展开裙采用橡胶作为主要材料，利用橡胶韧性和延伸性，便于连续调节喷管的出口面积。本发明专利技术通过驱动器推杆推动橡胶夹板中的橡胶来连续调节喷管出口面积，通过拉力器、弹簧和橡胶夹板给柔性延伸喷管提供预紧拉力，使得稳态下柔性延伸喷管固定端喷管出口面积始终保持不变，当工作状态时，柔性延伸喷管扩张段能够连续调节出口面积，在发动机在高空作业时进行高度补偿，提高实验效率和精度。实验效率和精度。实验效率和精度。
【技术实现步骤摘要】
一种基于柔性材料变扩张比的高度补偿喷管实验装置
[0001]本专利技术涉及一种基于柔性材料变扩张比的高度补偿喷管实验装置，属于发动机喷管实验领域。
技术介绍
[0002]拉瓦尔喷管是火箭发动机的重要组成部件之一，它的作用是将燃烧室内的亚声速燃气转化为超声速射流，从而提供推力。在火箭飞行过程中，随着工作高度的不断增加，喷管外部的大气压逐渐降低，扩张比固定的喷管不能达到理想的完全膨胀状态，会出现性能损失，这种性能损失被称为非适应性损失。喷管的非适应性损失在喷管的各项损失中占比最大。
[0003]为了提高发动机性能，降低随工作高度变化而带来的性能损失，可以采用柔性延伸喷管实现火箭发动机在工作中的高度补偿，降低非适应性损失。其特点是能够实现在发动机工作高度变化的条件下，连续调节喷管出口面积。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的是提供一种基于柔性材料变扩张比的高度补偿喷管实验装置，通过驱动器推杆推动橡胶夹板中的橡胶来连续调节喷管出口面积，通过拉力器、弹簧和橡胶夹板给柔性延伸喷管提供预紧拉力，使得稳态下柔性延伸喷管固定端喷管出口面积始终保持不变，当工作状态时，柔性延伸喷管扩张段能够连续调节出口面积，在发动机在高空作业时进行高度补偿，提高实验效率和精度。
[0005]本专利技术的目的通过如下技术方案实现。
[0006]本专利技术公开的一种基于柔性材料变扩张比的高度补偿喷管实验装置，主要由玻璃盖板、弹簧、橡胶夹板、橡胶、驱动器推杆、喷管固定段、拉力器、驱动器底座组成。玻璃盖板是整个装置的参考板，参考板性能满足预设防滑和耐磨耐高温的要求，通过参考板实现装置各个部件之间的整体定位。弹簧用于给柔性延伸喷管扩张段提供预紧力，使得延伸段能够在稳态条件下始终保持收敛状态。实验装置用于冷气实验，柔性延伸喷管展开裙采用耐高温材料。柔性延伸喷管展开裙采用橡胶作为主要材料，利用橡胶韧性和延伸性，便于连续调节喷管的出口面积，橡胶夹板用于扩张段橡胶的夹紧和拉直，同时也能为橡胶提供预定预紧力。驱动器推杆用于橡胶的定位，保证橡胶一端始终与喷管固定段水平连接，橡胶另一端始终由橡胶夹板压紧，保证橡胶的正确位置。喷管固定段采用的是先收缩后扩张的拉瓦尔喷管，在壁上打孔用于连接装置的定位。拉力器一端连接着弹簧，另一端连接着橡胶夹板，作用是沿着轴方向传递弹簧的力给橡胶夹板，保证弹簧传递力的可靠性。驱动器底座在喷管固定段上固定，一端与驱动器推杆进行连接，用于将柔性延伸喷管的固定段和扩张段进行高强度连接，形成一个整体。
[0007]连续式柔性延伸喷管分为基础喷管、刚性延伸杆和柔性展开裙三部分。基础喷管采用高温合金等耐高温材料，飞行过程中固定不动，刚性延伸杆受驱动装置随控随调，随工
作高度改变不断向外延伸，期间柔性展开裙逐渐沿周向拉伸变形，形成喷管的型面。展开裙采用耐高温材料，内侧安置记忆合金和绝热层，记忆合金用于增强型面刚度，保持型面完整，绝热层用于应对喷管工作时的高温燃气，形成热防护。
[0008]本专利技术公开的一种基于柔性材料变扩张比的高度补偿喷管实验装置的工作方法为：
[0009]压缩气体经过喷管固定端收缩段减速稳压，进入喷管固定端喉部和扩张段，形成稳定的超声速气流后，驱动机构开始工作，驱动器推杆向外运动，拉动拉力器和弹簧，给柔性延伸喷管扩张段向外延伸的力，推杆移动带动柔性延伸喷管扩张段向外延伸，根据实验需求更改柔性延伸喷管的延伸端长度，通过拉力器、橡胶夹板和驱动器拉杆调控喷管延伸端出口面积，通过调控喷管出口面积实现喷管性能高度补偿。
[0010]随着工作高度的不断变化，喷管型面展开系统实时获取环境大气参数，调控喷管型面展开进程，当火箭工作高度提升时，喷管的出口扩张比会逐渐增大，与环境压力对应的理想设计面积比实时匹配，确保喷管在整个飞行过程都能处于最佳工作状态，实现火箭发动机的高度补偿。因此，相比于传统的喷管，柔性延伸喷管具有连续变面积比、高质量比和高比冲的性能优势。
[0011]柔性延伸喷管比冲会随工作高度提升相应增长，具备优良高度补偿能力。
[0012]有益效果：
[0013]1、本专利技术公开的一种基于柔性材料变扩张比的高度补偿喷管实验装置，通过柔性延伸喷管扩张段向外延伸调控喷管出口面积，能够解决延伸喷管实际工程应用问题，实现对火箭发动机延伸喷管高空作业时的高度补偿。
[0014]2、本专利技术公开的一种基于柔性材料变扩张比的高度补偿喷管实验装置，可连续调节延伸喷管的出口面积，从而改变延伸喷管扩张比，根据喷管总冲的计算公式可知，喷管在工作空域总冲能够达到最大值，提高喷管能量利用效率。
[0015]3、本专利技术公开的一种基于柔性材料变扩张比的高度补偿喷管实验装置，采用柔性材料作为喷管延伸端材料，可以与环境压力对应的理想设计面积比实时匹配，确保喷管在整个飞行过程都能处于最佳工作状态，为变结构高度补偿喷管的设计、研制提供参考。
附图说明
[0016]图1是本专利技术的一种基于柔性材料变扩张比的高度补偿喷管实验装置结构主视图；
[0017]图2是本专利技术的一种用于高度补偿的柔性延伸喷管固定端等轴测图；
[0018]图3是本专利技术的一种用于高度补偿的柔性延伸喷管延伸端主视图；
[0019]图4是扩张比不同的喷管在不同工作高度下的比冲响应图；
[0020]其中：1—玻璃盖板、2—弹簧、3—橡胶夹板、4—橡胶、5—驱动器推杆、6—喷管固定段、7—拉力器、8—驱动器底座。
具体实施方式
[0021]以下将结合附图与实施例对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以了解本专利技术的目的、特征和效果。
[0022]如图1所示，本实例公开的一种基于柔性材料变扩张比的高度补偿喷管实验装置，由玻璃盖板1、弹簧2、橡胶夹板3、橡胶4、驱动器推杆5、喷管固定段6、拉力器7、驱动器底座8组成。喷管固定段6为基础喷管；驱动器推杆5、拉力器7和驱动器底座8组成刚性延伸杆，弹簧2、橡胶夹板3和橡胶4柔性构成展开裙。玻璃盖板是整个装置的参考板，拥有防滑和耐磨耐高温的特点，也用于装置各个部件之间的整体定位。
[0023]如图2和图4所示，气流通过固定端喷管收缩段进行压缩，经喉部到喷管扩张段达到超音速气流，在喷管尾部达到完全膨胀状态。在喷管工作时，随着工作高度的增加，外界环境压强不断降低，柔性延伸喷管可以通过调节扩张比进行高度补偿，是喷管获得更高的总冲。
[0024]总冲计算公式为
[0025][0026]式中I
sp
为发动机比冲，其计算公式为
[0027][0028]F为火箭发动机推力，其中，质量流率喷管出口排气速度V
e
、出口面积A
e
的计算采用下式。
[0029][0030][0031][0032][0033]以上各式中，γ为燃气比热比，Γ是关于γ的函数，P0为燃气总压，T0为燃气总温，R为燃气气体常数，R
t
是喷管喉部半径，ζ为喷管扩张比，是喷管出口面本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于柔性材料变扩张比的高度补偿喷管实验装置，其特征在于：主要由玻璃盖板、弹簧、橡胶夹板、橡胶、驱动器推杆、喷管固定段、拉力器、驱动器底座组成；玻璃盖板是整个装置的参考板，参考板性能满足预设防滑和耐磨耐高温的要求，通过参考板实现装置各个部件之间的整体定位；弹簧用于给柔性延伸喷管扩张段提供预紧力，使得延伸段能够在稳态条件下始终保持收敛状态；实验装置用于冷气实验，柔性延伸喷管展开裙采用耐高温材料；柔性延伸喷管展开裙采用橡胶作为主要材料，利用橡胶韧性和延伸性，便于连续调节喷管的出口面积，橡胶夹板用于扩张段橡胶的夹紧和拉直，同时也用于为橡胶提供预定预紧力；驱动器推杆用于橡胶的定位，保证橡胶一端始终与喷管固定段水平连接，橡胶另一端始终由橡胶夹板压紧，保证橡胶的正确位置；喷管固定段采用的是先收缩后扩张的拉瓦尔喷管，在壁上打孔用于连接装置的定位；拉力器一端连接着弹簧，另一端连接着橡胶夹板，作用是沿着轴方向传递弹簧的力给橡胶夹板，保证弹簧传递力的可靠性；驱动器底座在喷管固定段上固定，一端与驱动器推杆进行连接，用于将柔性延伸喷管的固定段和扩张段进行高强度连接，形成一个整体。2.如权利要求1所述的一种基于柔性材料变扩...
【专利技术属性】
技术研发人员：李大林，魏志军，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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