一种高效换热的火箭发动机再生冷却推力室及制造方法
本发明公开了一种高效换热的火箭发动机再生冷却推力室，包括内壁、外壁和位于内外壁之间的若干条TPMS冷却流道；TPMS冷却流道采用三周期分布极小曲面结构。本发明还公开了上述推力室的制造方法，包括对内壁、外壁和TPMS冷却流道模型进行布尔运算合并处理，得到推力室模型；基于推力室模型，采用激光选区熔化成形工艺得到推力室产品；对推力室产品进行热处理、线切割、吹砂和表面光整，得到推力室。本发明有效提高了流道比表面积，得到具有优异热防护效果的推力室。
发明专利
CN202311375740.9
2023-10-23
CN117514522A
2024-02-06
F02K9/64(2006.01)
首都航天机械有限公司
陈金存;刘琦;梁晓康;王福德;赵衍华;董鹏;严振宇;倪江涛;李权;罗志伟;徐坤和;孔兆财;白冰;刘敏;崔保伟;靳文颖;张龙飞;陈靖;李振东;迟宏波;郭博闻;杨凯
100076 北京市丰台区南苑警备东路2号
中国航天科技专利中心
范晓毅
北京;11
1.一种高效换热的火箭发动机再生冷却推力室，其特征在于，包括内壁、外壁和位于内外壁之间的若干条TPMS冷却流道； TPMS冷却流道采用三周期分布极小曲面结构。 2.根据权利要求1所述的一种高效换热的火箭发动机再生冷却推力室，其特征在于，三周期分布极小曲面流道结构符合如下表达式： SURF(x,y,z)＝K(x,y,z)*f(x,y,z)＝f(kx*x,ky*y,kz*z)； 其中，x、y、z为极小曲面任意一点在笛卡尔坐标系中的坐标，z轴为推力室轴线方向，z轴原点为推力室下底面所在位置，SURF(x,y,z)为TPMS冷却流道曲面函数，K(x,y,z)为单元尺寸控制矩阵，f(x,y,z)为隐式函数，kx、ky、kz分别为x、y、z三个方向的尺寸控制因子。 3.根据权利要求2所述的一种高效换热的火箭发动机再生冷却推力室，其特征在于，TPMS冷却流道采用的三周期分布极小曲面结构包括Schwarz Primitive、SchwarzDiamond、Gyroid或IWP中的一种，其f(x,y,z)隐式函数表达式分别为： Schwartz Primitive：f(x,y,z)＝cos(x)+cos(y)+cos(z)； Schwartz Diamond： f(x,y,z)＝sin(x).*sin(y).*sin(z)+sin(x).*cos(y).*cos(z)+cos(x).*sin(y).*cos(z)+cos(x).*cos(y).*sin(z)； Gyroid：f(x,y,z)＝cos(x).*sin(y)+cos(y).*sin(z)+cos(z).*sin(x)； IWP： f(x,y,z)＝2*(cos(x).*cos(y)+cos(y).*cos(z)+cos(z).*cos(x))-(cos(2*x)+cos(2*y)+cos(2*z))。 4.根据权利要求2所述的一种高效换热的火箭发动机再生冷却推力室，其特征在于，K(x,y,z)为常数、随推力室喉部短直径变化的一元函数或温度场矩阵。 5.根据权利要求4所述的一种高效换热的火箭发动机再生冷却推力室，其特征在于，当TPMS冷却流道为等截面流道时，K(x,y,z)为常数； 当TPMS冷却流道为沿推力室高度方向上直径呈梯度变化的非等截面流道时，K(x,y,z)为随推力室直径变化的一元函数； 当TPMS冷却流道为适应推力室温度场的连续变截面流道时，K(x,y,z)为温度场矩阵。 6.根据权利要求5所述的一种高效换热的火箭发动机再生冷却推力室，其特征在于，当K(x,y,z)为随推力室喉部短直径变化的一元函数时，K(x,y,z)＝D(z)/D0； 其中，D0为喉部段最小直径，D(z)为高度为z时对应的推力室直径。 7.根据权利要求5所述的一种高效换热的火箭发动机再生冷却推力室，其特征在于，K(x,y,z)为常数C时，根据如下公式确定x、y、z：SURF(x,y,z)＝C*f(x,y,z)＝0； K(x,y,z)为随推力室喉部短直径变化的一元函数D(z)/D0时，根据如下公式确定x、y、z： SURF(x,y,z)＝f((D(z)/D0)*x,(D(z)/D0)*y,(D(z)/D0)*z)＝0； 其中，D0为喉部段最小直径，D(z)为高度为z时对应的推力室直径； K(x,y,z)为温度场矩阵T(x,y,z)时，根据如下公式确定x、y、z：： SURF(x,y,z)＝T(x,y,z)*f(x,y,z)＝0。 8.根据权利要求5所述的一种高效换热的火箭发动机再生冷却推力室，其特征在于，内壁壁厚0.5mm～1.0mm，外壁壁厚3.0mm～6.0mm； TPMS冷却流道曲面壁厚0.3～1.2mm。 9.根据权利要求1所述的一种高效换热的火箭发动机再生冷却推力室，其特征在于，TPMS冷却流道沿径向分布范围为5.0mm～8.0mm。 10.根据权利要求1-9任一项所述的一种高效换热的火箭发动机再生冷却推力室的制造方法，其特征在于，包括： 对内壁、外壁和TPMS冷却流道模型进行布尔运算合并处理，得到推力室模型； 基于推力室模型，采用激光选区熔化成形工艺得到推力室产品；采用激光选区熔化成形工艺得到推力室产品时，原料为GH4169、GH4099、TA15、TC4、CuCrZr或CuCrNb粉末中的一种以上； 对推力室产品进行热处理、线切割、吹砂和表面光整，得到推力室。