[发明专利]一种固液火箭发动机的嵌套式药柱成型系统及方法

说明书

本发明公开了一种固液火箭发动机的嵌套式药柱成型方法，包括如下步骤：设计并打印3D嵌套式药柱结构基体；准备药柱燃料，将药柱填充燃料按配比混合熔化；组装模具，将嵌套式药柱结构基体装入定型模具内；离心嵌套成型，在模具内浇注药柱燃料，利用离心机旋转定型；药柱后处理，打磨修剪药柱的首尾两端；还公开了嵌套式药柱成型系统，包括3D基体打印模块、燃料熔融搅拌机、恒温输运管道、药柱模具和离心成型机，3D基体打印模块打印的药柱结构基体装入药柱模具内，燃料熔融搅拌机加热熔化燃料，熔融燃料经过恒温输运管道进入药柱模具内，在离心成型机的旋转作用下生成所需药柱；可实现嵌套式药柱的快速成型，成本低，效率高。

技术领域

本发明涉及火箭发动机领域，具体为一种固液火箭发动机的嵌套式药柱成型系统及方法。

背景技术

火箭发动机可用于航天器推进，也可用于导弹等在大气层内飞行。伴随航天技术的不断革新，航天市场的不断发展，火箭发动机越发关注低成本、绿色环保、高安全性以及大推力等发展方向。其中，固液火箭发动机的优势很明显。首先，固液火箭发动机使用固体燃料和液体氧化剂分离存储的推进剂（采用的燃料通常是惰性物质，不含氧化剂），在生产，存储，运输，测试和工作过程中具有较高的安全性。而且固液火箭发动机通过控制氧化剂流量方面，能够实现推力调节和多次启动。另外，相对于固体火箭发动机，固液火箭发动机固体药柱对裂纹和缺陷不敏感，具有更高的可靠性。最后，固液推进系统的成本远低于固体和液体推进系统。

目前固液火箭发动机技术相比于固体和液体火箭发动机而言仍然存在一些不足，如传统固液火箭发动机中所使用的端羟基聚丁二烯燃料退移速率较低等，为了将固液火箭发动机应用于较大推力火箭发动机中，需要增大传统低退移速率药柱的燃料燃面面积来提高发动机的推力。到20世纪末，Stanford的Arif、Cantwell等人发现含石蜡燃料由于存在液滴夹带的现象，使得其燃烧退移速率远高于传统燃料，且来源广泛，价格低廉，固液火箭发动机的技术发展也因此出现了新的发展机遇。

但随着对石蜡燃料的进一步研究，石蜡燃料的很多问题逐渐暴露出来，比如石蜡的热胀冷缩现象表现得极为明显，这就导致药柱制备时尺寸的精准控制较为复杂，以及药柱内部可能由于降温收缩导致产生裂纹，从而影响药柱的整体性能。除此之外，其较差的机械性能使得纯石蜡药柱成型后的结构强度太低，无论是多孔结构还是单孔结构，在正常燃烧过程中都容易在气流、热以及外力的激励作用下发生坍塌，严重影响固液火箭发动机工作的安全性和可靠性。这些问题制约了固液火箭发动机的进一步的发展。因此，针对这些问题，研究人员提出并测试了通过使用多种材料，基于嵌套结构设计不同结构的药柱，使得药柱的性能提高。

而这样就对药柱成型的方法提出了挑战，多种不同性质的材料采用嵌套的方式成型，若采用一般的浇注成型方式，精度可控性低且制备效率较低。不仅如此，对于不同材料且具有复杂结构的药柱，传统的成型方式往往需要大量的时间、材料以及设备成本。成型的药柱由于内外孔直接贴合在模具上，这就极大增大了药柱脱模的难度，即使通过脱模剂将药柱从模具中取出，也会造成成型药柱内外孔附着或混合了脱模剂，将会使得药柱点火难度上升。

发明内容

为了克服现有技术方案的不足, 本发明提供一种固液火箭发动机的嵌套式药柱成型系统及方法，可实现嵌套式药柱的快速成型，保证药柱尺寸与性能达到设计要求，成本低，效率高，能有效的解决背景技术提出的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种固液火箭发动机的嵌套式药柱成型方法，包括如下步骤：

步骤100、设计并打印3D嵌套式药柱结构基体；

步骤200、准备药柱燃料，将药柱填充燃料按配比混合熔化；

步骤300、组装模具，将嵌套式药柱结构基体装入定型模具内；

步骤400、离心嵌套成型，利用离心机带动模具旋转，并且在模具内浇注药柱燃料；