本发明属于固液混合发动机领域，具体涉及一种教学科普用小型固液探空火箭。
背景技术：
固液混合发动机是一种燃料为固态、氧化剂为液态并且被分开存储的化学火箭发动机，因此通过控制氧化剂的供给可以较好的实现能量管理。固液混合发动机与固体火箭发动机相比，具有能量性能高、可多次开关机、容易进行推力调节等优势，与液体火箭发动机相比，具有安全性好、可靠性高，结构简单等优势，因此固液混合发动机有很好的应用前景。
应用于固液混合发动机的氧化剂主要有液氧、液氟、氧化亚氮、过氧化氢和硝酸等，其中氧化亚氮具有可存储、无腐蚀、常温下性质稳定、饱和蒸汽压高等优点，因此更加适合在小型探空火箭中使用。传统固体燃料主要包括聚合化合物、金属粒子和金属氢化物等，主要有聚乙烯、端羟基聚丁二烯、聚硫橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯。由于传统固体燃料其燃面推移速率较低使得固液混合发动机的发展受到限制，石蜡是一种碳氢化合物在发动机中以液滴夹带形式燃烧，燃面退移速率比传统固体燃料高3～4倍，且燃烧热值较高，成本廉价，因此，是小型固液探空火箭的理想选择。
在火箭发动机结构以及原理的教学科普中，为加强对火箭发动机的结构有更加清楚的认识，往往需要对其进行展示，必要时还需做一些演示性实验。由于固体火箭发动机其推进剂中既包括燃料组元又包括氧化剂组元，属于易燃易爆物品且在运输过程中存在管制问题，高校等教育机构不容易获取，此外推进剂属于危险品不易在教学过程中使用；液体火箭发动机管路系统复杂，不易小型化，成本较高，因此，均不适合在教学以及科普中应用。而成本较低的固液混合发动机，一方面燃料药柱中只含有燃料组元故安全性较高，且药柱原料为常用的工业用品不存在管制问题，另一方面固液混合发动机推力室部分结构与固体火箭发动机相似，氧化剂供给系统与液体火箭发动机相似，故通过固液混合发动机既可以展示固体火箭发动机结构，又可以展示液体火箭发动机的管路供给系统，从而可以达到对火箭发动机的原理以及结构有清楚了解的目的，因此成本较低的小型固液混合发动机在教学科普方面优势显著。
技术实现要素：
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种教学科普用小型固液探空火箭，是一种燃料药柱容易制备的结构简单、操作可靠、推重比高的固液混合小型探空火箭，主要利用了氧化亚氮在高压气瓶中以液态形式为主体，以及氧化亚氮饱和蒸汽压高的特点，可实现自增压的方式输送氧化剂，从而简化了氧化剂供给系统结构，降低了系统的消极质量，在开伞系统中采用较简单的方式，利用开伞药抛出降落伞的方式来回收小型探空火箭，进一步减少了小火箭的消极质量。
本发明的技术方案是：一种教学科普用小型固液探空火箭，其特征在于：包括火箭壳体、尾翼、降落伞回收装置、气瓶、阀门和发动机推力室；所述火箭壳体由头锥和圆筒状蒙皮插接而成，其内从头部到尾部依次安装有所述降落伞回收装置、气瓶、阀门和发动机推力室，并通过推力室固定环将所述发动机推力室固定于所述蒙皮的尾端，所述尾翼安装于所述火箭壳体尾端的外侧；
所述降落伞回收装置包括降落伞、开伞药包和单片机控制器，通过所述单片机控制器控制所述开伞药包的点火，进而抛出并打开所述降落伞，进行回收；
所述气瓶的出口端通过阀门与所述发动机推力室连接；
所述发动机推力室包括前端盖、发动机壳体、喷管和后端盖；所述发动机壳体为两端开口的圆筒状结构，其两端分别同轴安装有所述前端盖和后端盖，并在连接处设置有石墨垫圈；所述前端盖为喇叭状结构，其小径端作为入口设置有内螺纹，与所述阀门通过螺纹连接，在所述阀门和前端盖的入口处之间依次安装有聚四氟垫片、紫铜限流板、爆破片，分别用于气体的密封、流量控制、隔离；所述后端盖为喇叭状结构，其小径端内同轴安装有喷管，所述喷管为两端口扩张中间段收敛的结构；将药柱安装于所述前端盖和后端盖的大径端之间，点火药包设置于所述前端盖的扩张段内；所述后端盖的大径端与药柱之间设置有环状的补燃室绝热层，所述后端盖的扩张段内壁设置有后端盖绝热层。
本发明的进一步技术方案是：所述火箭壳体内降落伞回收装置和气瓶之间设置有隔板，所述单片机控制器通过所述单片机固定壳体安装于所述隔板上。
本发明的进一步技术方案是：所述降落伞和单片机控制器均采用锡纸包裹，防治烧毁。
本发明的进一步技术方案是：所述火箭壳体采用碳纤维制成；所述发动机壳体的材质为t6061硬铝；所述喷管的材质为石墨。
本发明的进一步技术方案是：所述前端盖和后端盖之间的所述发动机壳体内壁同轴设置有燃烧室绝热层，用于提高结构强度并限制前端盖和后端盖内侧的轴向位移；所述发动机壳体头部的内壁通过螺钉同轴固定有前固定环，所述前固定环一侧端面与所述前端盖的外侧面贴合并保证锥度一致，用于限制所述前端盖外侧的轴向位移；所述发动机壳体尾部的内壁通过螺钉同轴固定有后固定环，所述后固定环一侧端面与所述后端盖的外侧面贴合并保证锥度一致，用于限制所述后端盖外侧的轴向位移。
本发明的进一步技术方案是：所述前端盖的锥度为45度；所述后端盖的锥度为30度。
本发明的进一步技术方案是：所述前端盖的小径端与扩张段之间的连接内孔成收敛状，即内孔朝向小径端的孔径大于朝向大径端的孔径。
本发明的进一步技术方案是：所述点火药包通过硝化棉片安装于所述前端盖的扩张段内。
本发明的进一步技术方案是：所述绝热层的材质均为酚醛树脂。
本发明的进一步技术方案是：所述气瓶的氧化剂罐装步骤如下：
步骤一：将g5/8转8mm快接转接头管一端连接在40l大气瓶上，另一端与带8mm快接的回充开关阀连接；
步骤二：然后将所述气瓶通过转接头连接在所述带8mm快接的回充开关阀上；
步骤三：将所述气瓶放置于13°的凉水中，然后打开40l大气瓶的阀门，装填一段时间可以将气瓶取下，通过天平称量，来控制氧化亚氮的充装量。
有益效果
本发明的有益效果在于：
(1)整体小火箭结构简单，容易加工，重现性好。
(2)将发动机推力室的头部设置为预燃室，将尾部设置为补燃室，小火箭燃烧效率较高。
(3)发动机采用了锥度为45度的前端盖和锥度为30度的后端盖，在满足燃烧效率的基础上，既能满足喷管收敛段的设计要求，又能满足补燃室的作用，大大简化了火箭发动机的结构，使得消极质量进一步减少，提高了小火箭的推重比。
(4)小火箭的开伞装置有单片机控制，设计简单、可靠，非常适合小火箭使用。
(5)氧化亚氮充装采用8mm快充接头，操作简单、方便，充装完毕将快充接头拆除大大降低了消极质量。
(6)通过阀门控制氧化剂的供给，省去了在氧化剂供给与推力室之间复杂的管路系统，使的结构更加轻巧、连接更加紧凑。
(7)采用紫铜孔板作为紫铜限流板进行限流，保证氧化剂流量的稳定，同时可以根据不同燃料配方调整紫铜孔板的大小，来满足不同的氧燃比，同时紫铜限流板也可以起一定的密封作用。
(8)其中阀门在安装时即为开启状态，在发动机点火之前，采用爆破片将氧化剂与燃料药柱进行隔离，点火后直接利用点火药将爆破片打开，促使氧化剂与药柱迅速接触，进行燃烧，避免了使用复杂的控制系统。
(9)该火箭非常适合科普以及教学演示，清楚的展示了固液混合发动机的结构，通过结构可以清楚的了解到固液混合发动机原理，该火箭还可以进一步优化，在此基础上放大，增加载荷，达到不同的目标。
(10)采用该方法罐装氧化亚氮简单快捷，可以通过温度控制氧化亚氮的装填系数。
附图说明
图1是小火箭整体的设计流程图；
图2是小火箭整体示意图；
图3是小火箭a-a截面示意图；
图4是小火箭发动机部分示意图；
图5是前端盖剖视图；
图6是后端盖剖视图；
图7是喷管剖视图；
图8是小火箭氧化剂充气过程示意图；
图9是充气过程局部放大图。
附图标记说明：1-小火箭的头锥；2-降落伞；3-火箭壳体；4-气瓶；5-阀门；6-推力室固定环；7-尾翼；8-发动机推力室；9-单片机固定壳体；10-开伞药包；11-伞绳固定环；12-紫铜限流板；13-前固定环；14-发动机壳体；15-燃烧室绝热层；16-补燃室绝热层；17-密闭环螺钉固定孔；18-后端盖；19-喷管；20-后固定环；21-后端盖绝热层；22-药柱；23-石墨垫片；24-硝化棉片；25-点火药包；26-爆破片；27-聚四氟垫片；28-40l大气瓶；29-g5/8转8mm快接转接头管；30-带8mm快接的回充开关阀；31-转接头。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图2，本发明教学科普用小型固液探空火箭,主要由火箭壳体3、尾翼7、降落伞回收装置、气瓶4、阀门5以及发动机推力室组成，
其中，火箭壳体3由3部分组成，分别是头锥1、蒙皮、以及推力室固定环6；头锥1和蒙皮通过加工精度控制，直接连接，如插接，不需要附加螺钉固定，能够方便降落伞的抛出；推力室固定环6是将发动机装入发动机舱段后，推力室固定环通过螺钉或者铆钉与蒙皮进行连接。在小火箭的头锥1与蒙皮连接处有2对降落伞绳固定环；用来将小火箭的头锥段与蒙皮段分别与伞绳连接；降落伞回收装置主要由降落伞、开伞药包以及单片机组成，其中单片机位于单片机固定壳体内，起到保护单片机的作用，用ab胶粘结在小火箭隔板处，降落伞和单片机在放入小火箭壳体内部时，需要用锡纸进行包裹，防止开伞药包在工作期间将降落伞以及单片机烧毁，然后将伞绳与蒙皮通过降落伞固定环固定，保证伞绳系在降落伞固定环上即可，同样要将伞绳用锡纸包裹好，防止被烧坏。
固液混合发动机由气瓶、阀门以及发动机推力室部分构成；气瓶与发动机推力室部分由阀门进行连接，发动机推力室由前端盖、前固定环13、发动机壳体14、燃烧室绝热层15、补燃室绝热层16、后端盖18、喷管19、后固定环20、后端盖绝热层21、药柱22、点火药包25组成。发动机壳体14为两端开口的圆筒状结构，其两端分别同轴安装有所述前端盖和后端盖18，并在连接处设置有石墨垫圈；所述前端盖为喇叭状结构，其小径端作为入口设置有内螺纹，与阀门5通过螺纹连接，在阀门5和前端盖的入口处之间依次安装有聚四氟垫片、紫铜限流板、爆破片，分别用于气体的密封、流量控制、隔离；所述后端盖18为喇叭状结构，其小径端内同轴安装有喷管19，所述喷管为两端口扩张中间段收敛的结构；将药柱安装于所述前端盖和后端盖的大径端之间，点火药包设置于所述前端盖的扩张段内；所述后端盖的大径端与药柱之间设置有环状的补燃室绝热层，所述后端盖的扩张段内壁设置有后端盖绝热层。所述前端盖和后端盖之间同轴设置有燃烧室绝热层16，用于提高结构强度并限制前端盖和后端盖内侧的轴向位移；所述发动机壳体14头部的内壁通过螺钉同轴固定有前固定环13，前固定环13一侧端面与所述前端盖的外侧面贴合并保证锥度一致，均为45度，用于限制所述前端盖外侧的轴向位移；所述发动机壳体14尾部的内壁通过螺钉同轴固定有后固定环20，所述后固定环20一侧端面与后端盖18的外侧面贴合并保证锥度一致，均为30度，用于限制后端盖18外侧的轴向位移。
发动机组装过程如下：将发动机后密闭环通过螺钉与发动机壳体进行连接，在喷管外壁涂抹密封胶，将喷管放入发动机后端盖中，通过后端盖绝热层进行固定，同时要在后端盖绝热层外壁涂抹密封胶，将该整体放入发动机壳体中，再通过补燃室绝热层固定后端盖，在补燃室绝热层与后端盖之间装入石墨垫片，保证密封良好，然后再装入带有绝热层的药柱(提前将含石蜡药柱浇铸在燃烧室绝热层中)，将点火药包粘在前端盖处，在硝化棉片上打两个孔引出点火线，将硝化棉片通过ab胶粘在前端盖上，点火线通过喷管引出，在前端同样装入一个石墨垫片，在缝隙处涂抹密封胶水，保证密封良好，将前端盖装入发动机壳体用来固定燃烧室绝热层，最后用发动机前固定环进行固定，在前后固定环与前后端盖接触的地方涂上高温密封胶，保证发动机气密性良好，最后用虎钳夹紧发动机两端，保证石墨垫片压实，用螺钉将前端盖与发动机壳体连接好。
降落伞回收系统主要由降落伞、开伞药包、以及单片机控制器组成。降落伞通过连接绳连接在探空火箭的头锥以及壳体上，为了确保降落伞不被烧蚀在降落伞的周围包裹上一层锡纸，开伞药包通过单片机控制器点火，基于openrocket软件模拟火箭飞行参数确定开伞时间，编写开伞程序，将编写好的程序烧录到单片机控制器上。
氧化剂罐装：首先将40l的氧化亚氮大气瓶倒置，将其固定在升降车上，调节升降车的高度到合适位置，将g5/8转8mm快接转接头管的一端与大气瓶连接，另一头连接一个转接头，通过转接头与小气瓶上的阀门连接，打开小气瓶的阀门，将小气瓶放到凉水桶中，控制温度为13度，打开大气瓶阀门，进行罐装。罐装结束后，关闭小气瓶和大气瓶阀门，打开充气管路的排气阀，将管路中的氧化亚氮排出，取下小气瓶。在天平上称量充气前和充气后气瓶和阀门的总质量，计算出氧化亚氮的质量。
混合发动机组装：将充装好氧化亚氮的气瓶准备好，在前端盖与阀门连接处，按顺序依次放入爆破片、紫铜限流板以及聚四氟垫片，在阀门与前端盖连接端装上o形密封圈，通过阀门前端将聚四氟垫片压紧，最终保证阀门和前端盖连接可靠，密封性好。
小火箭组装：将小火箭的头锥打开，将单片机和降落伞用锡纸包好，将单片机控制器输出线连接到点火头上，将点火头插入开伞药包中，将单片机控制线通过预留小孔置于小火箭蒙皮外与点火线连接，将单片机置于单片机固定壳体内，在单片机固定壳体一侧表面涂抹ab胶水，将其粘结在小火箭隔板上，再将开伞药包以及降落伞依次放入小火箭上端，将伞绳通过伞绳固定环连接在小火箭的蒙皮以及头锥上；注意用锡纸包裹好伞绳。接着将头锥和蒙皮连接好，之后将组装好的带有气瓶的固液混合发动机打开阀门，从小火箭的下端装入小火箭中，通过推力室固定环和壳体进行固定，最后将连接在点火药包中的点火头的接线柱一端与点火线连接，最后将整个小火箭固定在发射架上，再将点火头与点火线连接，打开单片机，点火发射即可。
实例一：
发动机装配：将发动机后密闭环通过螺钉与发动机壳体进行连接，在喷管外壁涂抹密封胶，将喷管放入发动机后端盖中，通过后端盖绝热层进行固定，同时要在后端盖绝热层外壁涂抹密封胶，将该整体放入发动机壳体中，再通过补燃室绝热层固定后端盖，在补燃室绝热层与后端盖之间装入石墨垫片，保证密封良好，然后再装入带有绝热层的药柱(提前将含石蜡药柱浇铸在燃烧室绝热层中)，将点火头插入点火药包中，将点火药包粘在前端盖处，在硝化棉片上打两个孔引出点火线，将硝化棉片通过ab胶粘在前端盖上，点火线通过喷管引出，在药柱前端同样装入一个石墨垫片，在缝隙处涂抹密封胶水，保证密封良好，将前端盖装入发动机壳体用来固定燃烧室绝热层，最后用发动机前固定环进行固定，在前后固定环与前后端盖接触的地方涂上高温密封胶，保证发动机气密性良好，最后用虎钳夹紧发动机两端，保证石墨垫片压实，用螺钉将前端盖与发动机壳体连接好。
氧化剂罐装：首先将40l的氧化亚氮大气瓶倒置，将其固定在升降车上，调节升降车的高度到合适位置，将g5/8转8mm快接转接头管的一端与大气瓶连接，另一头连接一个转接头，通过转接头与小气瓶上的阀门连接，打开小气瓶的阀门，将小气瓶放到凉水桶中，控制温度为13度，打开大气瓶阀门，进行罐装。罐装结束后，关闭小气瓶和大气瓶阀门，打开充气管路的排气阀，将管路中的氧化亚氮排出，取下小气瓶。在天平上称量充气前和充气后气瓶和阀门的总质量，计算出氧化亚氮的质量。
混合发动机组装：将充装好氧化亚氮的气瓶准备好，在前端盖与阀门连接处，按顺序依次放入爆破片、紫铜限流板以及聚四氟垫片，在阀门与前端盖连接端装上o形密封圈，通过阀门前端将聚四氟垫片压紧。
小火箭组装：将小火箭的头锥打开，将单片机和降落伞用锡纸包好，将单片机输出线连接到点火头上，将点火头插入开伞药包中，将单片机控制线通过预留小孔置于小火箭蒙皮外与点火线连接，将单片机置于单片机固定壳体内，在单片机固定壳体一侧表面涂抹ab胶水，将其粘结在小火箭隔板上，再将开伞药包以及降落伞依次放入小火箭上端，将伞绳通过伞绳固定环连接在小火箭的蒙皮以及头锥上；注意用锡纸包裹好伞绳。接着将头锥和蒙皮连接好，之后将组装好的带有气瓶的固液混合发动机打开阀门，从小火箭的下端装入小火箭中，通过推力室固定环和壳体进行固定，最后将连接在点火药包中的点火头的接线柱一端与点火线连接，最后将整个小火箭固定在发射架上，再将点火头与点火线连接，打开单片机，点火发射即可。
其中，火箭壳体3采用碳纤维制成；发动机壳体14的材质为t6061硬铝；喷管19的材质为石墨；燃烧室绝热层15、补燃室绝热层16和后端盖绝热层21的材质均为酚醛树脂。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
1.一种教学科普用小型固液探空火箭，其特征在于：包括火箭壳体、尾翼、降落伞回收装置、气瓶、阀门和发动机推力室；所述火箭壳体由头锥和圆筒状蒙皮插接而成，其内从头部到尾部依次安装有所述降落伞回收装置、气瓶、阀门和发动机推力室，并通过推力室固定环将所述发动机推力室固定于所述蒙皮的尾端，所述尾翼安装于所述火箭壳体尾端的外侧；
所述降落伞回收装置包括降落伞、开伞药包和单片机控制器，通过所述单片机控制器控制所述开伞药包的点火，进而抛出并打开所述降落伞，进行回收；
所述气瓶的出口端通过阀门与所述发动机推力室连接；
所述发动机推力室包括前端盖、发动机壳体、喷管和后端盖；所述发动机壳体为两端开口的圆筒状结构，其两端分别同轴安装有所述前端盖和后端盖，并在连接处设置有石墨垫圈；所述前端盖为喇叭状结构，其小径端作为入口设置有内螺纹，与所述阀门通过螺纹连接，在所述阀门和前端盖的入口处之间依次安装有聚四氟垫片、紫铜限流板、爆破片，分别用于气体的密封、流量控制、隔离；所述后端盖为喇叭状结构，其小径端内同轴安装有喷管，所述喷管为两端口扩张中间段收敛的结构；将药柱安装于所述前端盖和后端盖的大径端之间，点火药包设置于所述前端盖的扩张段内；所述后端盖的大径端与药柱之间设置有环状的补燃室绝热层，所述后端盖的扩张段内壁设置有后端盖绝热层。
2.根据权利要求1所述教学科普用小型固液探空火箭，其特征在于：所述火箭壳体内降落伞回收装置和气瓶之间设置有隔板，所述单片机控制器通过所述单片机固定壳体安装于所述隔板上。
3.根据权利要求1所述教学科普用小型固液探空火箭，其特征在于：所述降落伞和单片机控制器均采用锡纸包裹，防治烧毁。
4.根据权利要求1所述教学科普用小型固液探空火箭，其特征在于：所述火箭壳体采用碳纤维制成；所述发动机壳体的材质为t6061硬铝；所述喷管的材质为石墨。
5.根据权利要求1所述教学科普用小型固液探空火箭，其特征在于：所述前端盖和后端盖之间的所述发动机壳体内壁同轴设置有燃烧室绝热层，用于提高结构强度并限制前端盖和后端盖内侧的轴向位移；所述发动机壳体头部的内壁通过螺钉同轴固定有前固定环，所述前固定环一侧端面与所述前端盖的外侧面贴合并保证锥度一致，用于限制所述前端盖外侧的轴向位移；所述发动机壳体尾部的内壁通过螺钉同轴固定有后固定环，所述后固定环一侧端面与所述后端盖的外侧面贴合并保证锥度一致，用于限制所述后端盖外侧的轴向位移。
6.根据权利要求1所述教学科普用小型固液探空火箭，其特征在于：所述前端盖的锥度为45度；所述后端盖的锥度为30度。
7.根据权利要求1所述教学科普用小型固液探空火箭，其特征在于：所述前端盖的小径端与扩张段之间的连接内孔成收敛状，即内孔朝向小径端的孔径大于朝向大径端的孔径。
8.根据权利要求1所述教学科普用小型固液探空火箭，其特征在于：所述点火药包通过硝化棉片安装于所述前端盖的扩张段内。
9.根据权利要求1或5所述教学科普用小型固液探空火箭，其特征在于：所述绝热层的材质均为酚醛树脂。
10.根据权利要求1所述教学科普用小型固液探空火箭，其特征在于：所述气瓶的氧化剂罐装步骤如下：
步骤一：将g5/8转8mm快接转接头管一端连接在40l大气瓶上，另一端与带8mm快接的回充开关阀连接；
步骤二：然后将所述气瓶通过转接头连接在所述带8mm快接的回充开关阀上；
步骤三：将所述气瓶放置于13°的凉水中，然后打开40l大气瓶的阀门，装填一段时间可以将气瓶取下，通过天平称量，来控制氧化亚氮的充装量。
技术总结