《固体火箭发动机设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《固体火箭发动机设计（64页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 1 章 绪论1.1 设计背景固体火箭发动机与液体火箭发动机和其他化学能火箭发动机相比，具有很多的优点，因而它被广泛的用作各类小型、近程的军用火箭和战术导弹的动力装置。近几十年来，由于高能推进剂的出现，先进的装药设计和大型药柱浇注工艺的采用，优异的壳体材料和耐烧蚀材料的问世，以及高效而可靠的推力矢量控制装置的研制成功，已在很大程度上克服了固体火箭发动机的缺点，更由于其结构简单，使它在竞争中显示更加优势的地位。目前，固体火箭发动机除了用于军事用途外，也用于其他的很多方向。研制和使用新型的高能推进剂，进一步提高推进剂的综合性能，发展无烟推进剂是火箭推进技术主要的研究和发展方向。总之，随着固体推进
2、技术在航天领域和导弹技术中应用不断发展，会有更多的新课题出现，许多技术问题有待开发。所以，对固体火箭发动机的研究有十分重要的意思。1.2 固体火箭发动机简介1.2.1 固体火箭发动机基本结构固体火箭发动机主要由固体推进剂、燃烧室、喷管和点火装置等四大部分组成。图 1.1 为固体火箭发动机示意图。1、推进剂装药 装药是装入燃烧室中的具有一定形状和尺寸的推进剂药柱的总称，它是固体火箭发动机的能源。由于装药的燃烧，化学能转化为动能，并且向外做工功，从而推动发动机的运动。常用的固体推进剂有三类：双基推进剂、复合推进剂和改性双基推进剂。固体推进剂包含有燃烧剂和氧化剂，它自身能够形成封闭的化学反应系统。2
3、、燃烧室 燃烧室里面装载了固体推进剂，是发生化学反应的场所。它主要由起支承作用的燃烧室壳体和起热防护作用的内绝热层组成，而燃烧室壳体一般由筒体和前后封头组成。大部分燃烧室都制作成圆柱形，他是主要的受力场所。燃烧室材料大多采用强度很高的材料，也有采用玻璃纤维缠绕加树脂成型的玻璃钢结构，以大幅度减轻燃烧室壳体的重量。1药柱；2燃烧室；3喷管；4点火装置。图 1.1 固体火箭发动机示意图3、喷管 在喷管里气流的势能转化为动能，从而使气流加速流动，并保持一定的燃烧室压力，它主要由壳体和热防护层组成。对于一般的喷管主要由收敛段、喉部和扩张段三部分组成。由于喷管始终承受着高温、高压、高速气流的冲刷，尤其在
4、喉部情况更加严重，因此需要在喉部采用耐高温耐冲刷的材料(如石墨、钨渗铜等)作为喉衬。4、点火装置 点火装置提供一定的初始热量和点火压力，以便点燃装药使其稳定燃烧，它由发火系统和能量释放系统组成。1.2.2 固体火箭发动机的特点固体火箭发动机与液体火箭发动机及其它化学能火箭发动机相比，它具有以下特点5：1、结构简单 固体火箭发动机结构简单。除推力矢量控制装置有活动件外，固体火箭发动机几乎没有活动部件。2、使用方便、能长期储存 固体火箭发动机使用方便，勤务处理简单。由于固体推进剂装药成型后能长期贮存在发动机中，只需要简单操作就可以发射，所以使用方便。在平时维护保养方面也十分方便，并可以长期储存备用
5、。3、可靠性高 因为结构简单，零部件很少，固体火箭发动机的可靠度很高。现代固体火箭发动机的可靠度已达 0.99 以上，它高于液体火箭发动机的可靠性。4、质量比高、体积比冲高 虽然固体推进剂比冲较液体推进剂低，一般为，但是2200 2700N S/ kg其密度大，约为，而且固体推进剂全部直接装入发动机燃烧室31.6 1.84g/cm内，随着壳体材料性能不断提高，因而固体火箭发动机具有较高的质量比(即推进剂质量与发动机总质量之比)。同理，使得固体火箭发动机比液体火箭发动机具有较小的体积，故体积比冲大。此外，固体火箭发动机还有加速性能好、能快速攻击目标、成本低和生存能力强等优点。因而广泛应用于各类小
6、型、近程的军用火箭和战术导弹的动力装置。但是，固体火箭发动机也存在着一些缺点，如推进剂能量特性低、工作时间短、材料烧蚀严重、推力矢量不容易控制等。因此，在过去相当长的一段时期内，限制了它在大型、远程和战略武器领域内的应用。1.3 本设计的技术要求与主要内容1.3.1 本设计的技术要求本设计提出的技术要求如下：总冲量：； 180000N S平均推力：(20)；60000N工作时间：；33.2s使用条件：-55+55；发动机外径：。270mm1.3.2 本设计的主要内容 本文的固体火箭发动机设计任务是：1、发动机的总体设计 选择发动机的结构形式、推进剂和壳体材料，选择发动机的直径、工作压力和膨胀比
7、等主要设计参数。2、发动机的装药设计 选择药形、确定药柱几何尺寸、计算发动机的热力参量等。3、发动机内弹道计算 计算发动机燃烧室内压强随时间的变化，并绘制出内弹道曲线。4、发动机的燃烧室设计 燃烧室的壳体设计、封头、内绝热层和包覆层的设计和校核等。5、发动机的喷管设计 喷管的型面设计、结构设计和热防护设计等。6、点火装置设计 点火装置的类型和结构的选择，设计发火系统和能量释放系统等。7、总体验证 计算发动机的总质量，完成对结构合理性的评估。第 2 章 总体设计总体设计对发动机的性能和质量指标有着决定性的影响。只有在完成了总体设计之后才能进行发动机各组成部分的设计。总体设计的任务是选择和确定发动
8、机的结构形式、壳体材料、推进剂和主要设计参量。2.1 固体火箭发动机结构的选择发动机的结构形式直接影响到火箭或导弹的结构和性能。因此，在选择发动机结构形式时要与总体设计相协调。2.1.1 燃烧室壳体结构的选择燃烧室壳体通常由筒体和前、后封头所组成。筒体是壳体的主要组成部分，封头则多以不可拆连接形式与筒体制成一体，对于小型发动机，其前封头与筒体常采用可拆连接(这种前封头通常称为室盖)，后封头则常用喷管的收敛段来代替筒体结构。壳体结构的选择不仅包括筒体、封头或室盖本身的选择，也包括他们之间的连接结构和密封结构的选择。1、筒体结构的选择筒体结构多种多样，它与壳体的材料和制造方法等有关。小型发动机的筒
9、体一般采用热轧型材或热冲压毛坯经机械加工制成，筒体的两端车制有连接螺纹；金属筒体可采用旋压成形工艺来实现，筒体与封头制成一体，但必须有一端是开口的；对于直径较大或结构较复杂的筒体，为了制造的方便常采用焊接结构。本文设计的发动机采用旋压成形的筒体。因为旋压成形是一种无屑加工技术，采用这一技术可使壳体材料消耗降低，机械强度提高，加工壁厚减小和表面光洁度提高，还可按需要将壳体的材料加工成等壁厚或变壁厚的，勿需经过机械加工即可达到所需要的尺寸精度。2、封头结构的选择对于大、中型发动机的封头，多采用碟形、椭球形，以减轻结构重量和提高轴向空间利用率。它们通常与筒体焊接或缠绕成一体。以强度而论，球形封头最好
10、，椭球形封头次之，平板形封头最差；但是以加工的工艺性和轴向空间的利用性而言则相反。封头的壁厚一般都用一些理论或者半经验的公式来估算。本次设计选择椭球形封头设计，后封头与筒体旋压加工成一个整体。3、连接结构的选择燃烧室筒体与封头、后封头与喷管、前封头与点火器等零部件之间都存在着连接问题。对连接结构的主要要求是：连接可靠、同轴性和密封性好、药柱装填或浇铸方便、重量轻及加工和装配方便等。筒体与前封头采用焊接方式，后封头与喷管采用螺柱连接；前封头与点火器采用螺纹连接。4、密封结构的选择为了防止发动机工作时燃烧室内高温高压燃气的外泄，在各个连接部位都应有良好的密封。平垫圈密封和 O 型密封圈密封是常见的
11、两种密封结构，这里采用 O 型密封圈密封。 O 型密封圈广泛的应用于燃烧室壳体的可拆连接部位。这种密封结构简单，拆卸方便，密封可靠，通常只需一至二道密封圈即能可靠的达到密封效果。2.1.2 喷管结构的选择 选择喷管时要考虑喷管数目，总长度要求及扩张段的形状等。1、单喷管与多喷管的选择长度：多喷管是单喷管长度的一半；重量：多喷管的结构重量比单喷管的重量轻，但多喷管结构有笨重的管座，综合考虑，多喷管并不一定轻；加工精度：单喷管可降低加工精度要求。单喷管具有结构简单、加工容易、精度要求低、烧蚀小和效率高等优点，只有对发动机长度有严格要求时，或需要发动机低速旋转，或需要利用单喷管实现推力矢量全控制，才
12、考虑采用多喷管结构。本设计选择单喷管设计。2、简单喷管与复合喷管的选择简单喷管一般指由单一材料制成的喷管，常用于工作时间很短的发动机中。复合喷管由几种材料制成，具有良好热防护层的复合结构喷管，主要用于工作时间长的发动机中。本文的发动机工作时间 33.2s，因此采用简单热防护处理的复合喷管。3、普通喷管与潜入式喷管的选择潜入式喷管的部分或全部潜入燃烧室内，它可以使发动机的长度大大缩短，减小全弹长度，但潜入式喷管结构复杂，加工不方便，而且有很大的能量损失。普通喷管结构简单，工艺性好。因此本文采用普通喷管设计。4、锥形喷管与特型喷管的选择由于锥形喷管形状简单、工艺性好，在固体火箭发动机中，特别是在中
13、小型发动机中被广泛的采用。特型喷管是根据特征线法得到的一种曲线形喷管。本文发动机尺寸不是很大，由此发动机采用锥形喷管。2.2 固体火箭发动机材料的选择发动机壳体材料包括燃烧室壳体材料和喷管壳体材料两部分。这里先对燃烧室壳体材料进行选择，喷管壳体材料的选择需要综合考虑其与壳体的连接方式与工作环境。目前，用作固体火箭发动机燃烧室的壳体材料很多，主要分为两大类：金属材料和非金属材料。本文设计的发动机推力大、工作时间短，对壳体质量要求较高，要求材料有良好的机械性能和焊接性能，另外要求高温性能要好。本文通过对几种不同材料综合性能的比较，将强度极限作为主要的参考数据，最终选择一种最优的材料。表表 2.1
14、几种材料的比强度性质几种材料的比强度性质材料强度极限(MPa)密度(g/cm)比强度(m/s)610LC45302.850.186506487.810.0630GrMnSiA10797.750.139对于一般合金钢，它的冷热加工和焊接性能都较好，常用作野战火箭发动机壳体材料。对于高强度的铝合金，它们的主要优点是：比强度高，刚性好。缺点是：耐热性和焊接性能差，缺口敏感性也较大。一般仅限于壁温在120以下使用，因此只有在内燃药柱或壳体有绝热内衬、工作时间又较短的发动机上才考虑采用。超高强度合金钢主要用作大型固体火箭发动机的壳体材料。对一些质量要求比较高的中、小型发动机也可以采用。它具有高的比强度，
15、从而可以大大地降低结构重量。综合考虑以上因素，最后选择。30GrMnSiA对于喷管，由于工作时间为 33.2s，推力相对较大，喷管喉部的烧蚀和沉积会相对很严重，于是在选择喷管基体的材料时，选择性能相对较好的，这样在与壳体的连接时候相容性较好。30GrMnSiA2.3 推进剂的选择推进剂对发动机的内弹道性能和质量指标影响很大，因此选择推进剂要十分慎重。固体推进剂有双基推进剂、复合推进剂和改性双基推进剂等三大类。1、推进剂应具有所需的能量特性；2、推进剂应具有所要求的内弹道特性；3、推进剂应具有良好的燃烧特性；4、推进剂应具有足够的力学特性；5、推进剂应具有良好的物理、化学安定性；6、推进剂应具有
16、最小的危险性和良好的经济性。下面根据以上原则进行推进剂选择。因为待设计发动机的推力大、工作时间短，要求推进剂具有很高的能量特性和良好的内弹道性能，因此将能量特性作为首要考虑的因素。推进剂应具有所需的能量特性和内弹道特性。推进剂的能量特性是以比冲和密度的乘积来表征的。发动机的总冲为：(2.1)sppspppII m gIV g由上式可见，当一定时，愈大，则愈大。相反，当一定时，pVspIpII愈大，则愈小，燃烧室体积也愈小，燃烧室壳体质量也就愈小；同spIppV时由于愈大，也愈小，发动机总质量也愈小.综合考虑以上因素，选择spIpm这种推进剂，其在是室温的一些特性如下表：AlAPCTPB/表表 2.2 推进剂的性质推进剂的性质(s)SPIC*（m/s）（g/cm）pKn燃速公式(mm)26026514801.771.250.320.34.82( (kg/cm )rp2.4 工作压力的确定发动机的工作压力即燃烧室压力，燃烧室压力是影响发动机性能的重要参数之一。压力的高低不仅影响到发动机
