固体火箭发动机结构课件.ppt

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1、固体火箭发动机简图（浇注）1顶盖；2点火装置；3燃烧室壳体；4药柱；5底盖；6喷管；7石墨衬套；8堵盖。,平时贮存推进剂、点火装置等；工作时密封高温高压气体。,燃烧室的用途：,在刚度和强度足够时，应尽量减轻质量；燃烧室与战斗部及喷管的连接要可靠，同轴性好；连接部位密封性要好。,基本要求：,5.1 燃烧室设计,1连接底；2壳体；3后封头,比强度高,焊接结构2）纤维缠绕结构：比强度高，加工复杂、成本高 用高强度纤维在芯模上缠绕而成 不能加工螺纹，用金属环作为连接件,1连接底；2壳体；3后封头,1金属连接环；2垫块；3金属端环；4，8高硅氧模压封头5玻璃纤维布；6隔热层；7玻璃纤维；9金属环；10模

2、压件,3）卡环连接：同轴性好，装配方便，承压性能差，装配工艺性差。中小口径发动机用的较少。4）不可拆卸连接：焊接 工艺简单，密封性好，质量轻，工艺要求高。铆接 过盈连接,卡环连接结构图,（2）燃烧室壳体材料选择,基本要求：,比强度高；韧性好：不发生脆性破坏，冲击韧性和断裂韧性；加工工艺性好：延伸率、焊接性、热处理性能等；来源广，价格好。,种类及特性,1）金属：（a）优质碳素钢（b）合金结构钢（c）高强度铝合金,种类及特性,2）复合材料：各种异性材料 基本材料：玻璃纤维 碳纤维、硼纤维 粘接材料：环氧树脂,（3）燃烧室壳体壁厚计算,按强度要求确定燃烧室壁的厚度 根据燃烧室壁厚作强度校核,主要任务

3、,燃气压力旋转时离心惯性力 运输时振动冲击力 弹道上运动的惯性力,燃烧室载荷分析,尾翼式火箭弹燃烧室壳体壁厚计算,忽略外部大气压强 忽略切向惯性力、摆动惯性力以及空气动力和力矩 忽略燃烧室壳体两端轴向力的差异，认为两端拉力相等 壳体为内壁受均布压力的密封容器,计算假设：,尾翼式火箭弹燃烧室壳体壁厚计算,（a）按厚壁圆筒,应力分布：,燃烧室壳体内半径;燃烧室壳体径向距离;燃烧室壳体外半径;燃烧室计算压强,其值,=1.11.2 跳动系数,燃烧室壳体应力分布图,由上式可知：在r=ri处，、最大，为常量,用第四强度理论：,或,可见：,若 则,由,得,燃烧室壳体应力分布图,（b）按薄壁筒,忽略,=11.

4、15，安全系数=0.91，焊缝修正系数,燃烧室图纸尺寸,可能不满足强度要求,强度计算的最小壁厚；外径的下偏差值；内径的上偏差值；内外圆心最大偏心距，通常取,用焊接：,板材厚度的负公差值;热处理中所损失的总厚度。,注意：退刀槽 产生应力集中,燃烧室的壁厚与公差,（4）燃烧室壳体强度校核,下限为安全性界限上限为强度储备界限,安全系数：,按薄壁筒：,由经验选取,壳体初始壁厚,n：材料的应变强化指数,，由下式计算：,E：弹性模量,由实验得出的安全系数一般为：,（5）连接强度计算,将螺纹展开，按悬臂梁考虑，F均分布几圈上受力：剪切、弯矩,螺纹受力：,：可用螺纹中径,表5-4 螺纹螺距选择范围,对中大口径

5、火箭：,剪切力：,牙根抗弯截面系数,b 牙根宽度,螺纹展开图,三角形螺纹：,用第三强度理论：,锯齿形螺纹：,梯形螺纹：,考虑受力不均匀，两端倒角等因素，实际圈：展开长度：,（6）加工精度和强度试验,壳体外径公差可选基轴制，内径公差可选基孔制。内外直径尺寸精度可选1112级；定心部、定位面尺寸精度可选1011级。螺纹精度可选H6（h6）H7（h7）级。螺纹对定心部或定位面的不同轴度，可参考同类定性产品选定。螺纹的端面定位面用不垂直度表示。实际用端面单面缝隙。表面粗糙度：定心部和定位面可选1.63.2um 其它加工表面可选 3.26.4um。内外圆不同轴度，通常用壁厚差来表示。偏心量,燃烧室壳体内

6、外径公差及连接同轴度选取原则,水压试验：用探伤仪检查表面疵病 用x光检查内部夹杂,壳体强度试验,类型：平板、曲面要求：强度足够，质量轻 密封，隔热性能好 和战斗部、燃烧室壳体谅解同轴性好 结构工艺性好,5.1.2 连接底设计,（1）平板连接底,优点：加工简单，轴向长度小缺点：质量大假设：受力均匀 为周边固支圆薄板应力：,R:受压面积半径,忽略,按第二强度理论：圆心处,对钢材u=0.3,边缘处：,边缘大于圆心,考虑周边并非固支，燃烧室有变形及受热,（2）曲面连接底,优点：壁厚小，质量轻缺点：工艺复杂，轴向长度大类型：椭球形、碟形,m椭圆比,经验公式：,k形状系数,当m=2时，连接底和燃烧室等强度

7、,1.椭球形：组成：半个椭球形+高度为h的圆筒形状如图所示厚度计算公式：,2.碟形：组成：球冠+过渡圆弧+圆柱形状如图所示碟形与椭球形等强度的条件：两者之间的参数关系：,碟形连接底壁厚，按椭球形设计设计方法：先按椭球形设计，求得m、H、然后用上三式确定、,内绝热层一般有两种类型：1）对装药自由装填式的发动机由于燃气直接与燃烧室壳体内壁接触，因此要涂耐热绝热层；耐热绝热涂料一般由耐热材料、粘结剂和工艺辅助剂等组成。2）而对铸装式发动机则是消融绝热层，它是通过绝热层材料的相变（熔化、蒸发和升华）和高温分解吸收燃气传递来的大量热量而达到绝热作用的。消融绝热层是以石棉、二氧化硅和碳黑等作填料，以丁腈橡

8、胶（）、丁苯橡胶（）、丁羧橡胶（）和丁丙橡胶（）以及酚醛树脂、苯胺树脂和糠酮树脂丁腈橡胶等作粘结剂。,5.1.3 燃烧室内壁的隔热与防护,由燃气热能和压力势能转换成流动动能,作用：,（1）工作可靠，耐高温高压气流冲刷与烧蚀；（2）效率高，摩擦、散热、扩散损失小；（3）推力偏心小；（4）质量轻；（5）工艺性好。,要求：,结构选择、尺寸设计、热防护,设计任务：,5.2 喷管设计,（1）整体式和组合式：按零件个数划分（2）单喷管与多喷管：按喷口数（3）简单喷管和复合喷管：按制造材料（4）锥形与特型：按内形型面（5）潜入式喷管（6）可调节喷管（a）可换喷管（b）可调喷管,5.2.1 喷管结构形式选择,

9、锥形喷管与特型喷管图,前端喷气多喷管结构图,设计任务：确定内表面母线形状及尺寸 喉部直径组成：收敛段、临界段、扩张段,（1）锥形喷管型面设计,特点：形状简单、加工方便，但扩张损失大,1.收敛段：气流速度由低亚音速变为音速设计：母线形状为直线 直线+过渡圆弧收敛半角：小：气流在喉部均匀，但速度、质量大 大：在喉部形成涡流区，增加喉部烧蚀及固体物沉积，影响扩张段气流，形成气动偏心=3050,5.2.2 喷管型面设计,曲线收敛段,2.喉部：气流速度为音速，受冲刷严重,喉部直径：,参数：R1,R2 Lt：圆柱段长度 对小喷管为加工方便：,喷管喉部形状,3.扩张段：由音速到高超音速 设计参数：扩张半角、

10、扩张比,一般2=1230,（1）扩张半角,大：扩张损失大 大，小小：扩张段长，摩擦及散热损失大，质量大,（2）扩张比,当 时，,当 时，,一般在高空使用,（2）特型喷管型面设计,特型：在扩张段母线为曲线，且与气流流线基本重合优点：扩张损失小理想状态：出口截面扩张角，但 较小时对推力贡献不大一般：初始扩张角 2026 12,曲面母线确定方法：1.特征线法：精确计算法当dt、de、Le已知时，由计算气体动力学的特征线或多重网格法，可得到扩张段内的气体流线，用最外边的一条流线作为母线。优点：效率高、气动偏心小缺点：计算过程复杂，工作量大，型面加工困难（可用数控机床）,2.双圆弧法：扩张段母线由两个圆

11、弧组成设计参数：小圆弧半径R 出口扩张半角 大圆弧半径R0 大圆弧圆心坐标要求：小圆弧圆心在喉部断面上，两圆弧相切设计方法：1）给定dt,小圆弧半径2）由，从图5-36上查扩张段相对长度3）求4）求圆弧切点B上的气流最大倾角5）求大圆弧圆心坐标,双圆弧喷管型面,6）求B点坐标7）给定大圆弧段的，求对应的,双圆弧优点：加工精度高，省时,3.抛物线法：扩张段为圆弧+抛物线设计步骤：1）给定dt,，（或）2）由（或）及 可查出 及3）取R1=1.5Rt 画喉部上游圆弧 R2=0.4Rt 画喉部下游圆弧 在下游圆弧上取M点使OO2M=过M点作切线MB4）作出口出口点N，并作直线EN与x轴的夹角为e 找

12、出MB与EN的交点Q5）将MQ与NQ分成等份数，并作包路线，包路线的切线则为抛物线用图5-37的条件：R1=1.5Rt，R2=0.4Rt，k=1.23，k也可以为其他值，亦可用数学方法确定。,抛物线型面作图法,（3）减小气动偏心（推力偏心）的喷管型面设计,推力偏心是影响密集度的主要因素喷管气流流动与喷管参数有关：一般 不与纵轴重合。,理论与实验表明Fe、Ma与k及喷管内型面参数有关,、与、有关，可以找出使 的一组参数,气动偏心力矩示意图,扩张段某截面半径第一类贝赛尔函数常数 的一个根临界音速,根据A.G.Walters理论,设计任务：内壁受热分析 选择热防护材料 确定防护层厚度,（1）受热分析

13、：受高温高速气流作用,高速对流传热系数：,：定压比热,小 大，大 大，大，受热严重,5.2.2 喷管热防护设计,（2）热防护材料选择,目的：保持内型面光整性，尺寸不变 减小热损失，保证强度、刚度两层：上层为耐烧蚀层 下层为绝热层,1.喉衬材料：耐热、耐冲刷性能好,高熔点金属：钼和钨 制造：挤压锻造，粉末冶金。压延性差，易破碎 发汗材料：钨渗铜和钨渗银 石墨材料：多晶石墨、热解石墨 碳碳复合材料：以碳纤维或石墨纤维做增强材料，沉积碳或石墨作基体。特点：耐烧蚀、绝热性好，质量轻，强度高 增强塑料：消融材料,热解石墨喉衬,2.耐烧蚀层材料：防护收敛段和扩张段,增强塑料：石墨布酚醛、碳布酚醛、高硅氧布

14、酚醛和石棉毡酚醛等。不同部位可采用不同材料他们导热系数低，可兼作绝热层,3.绝热材料：隔绝热量,可以采用上述增强塑料，也可用石棉、二氧化硅充填的丁腈橡胶,（3）喷管热防护层厚度计算,由于沿喷管长度，燃气的压强、温度和流速各处不同，热防护层厚度也应不同。,厚度：烧蚀厚度：碳化层厚度：石墨布酚醛：A=0.9144 B=7.55X105 m=0.68高硅氧酚醛：A=0.7874 B=1.027X106 m=0.68安全裕量厚度：,防护材料的烧蚀速率由实验测得或参考书上表,q 气流密度（W/m2）A、B、M常数，材料不同，它们也不同,固定、支撑、挡药和缓冲，主要用于自由装填药柱,用途：,前支撑件后支撑

15、件，挡药板,5.3 装药支撑装置设计,有足够的强度和刚度：能承受惯性力和离心力 通气面积尽量大结构轴对称分布，减小气动和质量偏心有足够的支持面，以防发射时药柱被撞碎挡药可靠，最大孔隙尺寸小于药柱燃烧过程中的最小尺寸耐烧蚀和冲刷工艺性好,5.3.1 支撑装置设计要求,结构形状和尺寸取决于：,1.前支撑 作用：使药柱在轴向、径向定位，允许药柱热胀冷缩。特点：不承受惯性力，气流速度小，烧蚀轻 结构：刚性结构：由薄钢板冲压而成 弹性结构：可沿轴向产生弹性变形 材料：弹簧、毛毡、橡皮等。,5.3.2 支撑装置结构形式,药柱形状及根数、燃烧时间、燃烧室尺寸、通气参量、挡药板材,刚性前支撑件,弹性前支撑件,

16、2.挡药板 作用：轴向、径向固药，轴向挡药 特点：受药柱的惯性力作用，受燃气冲刷，一般为刚性 单根装药挡药板：结构简单 多根装药挡药板 涡轮式火箭弹挡药板：结构复杂，能承受离心惯性力，精密铸造,3.固药板 用于反坦克火箭，药柱根数多，直径小 在中间底上有小圆筒凸起，药柱用胶与之相粘法。,单根装药的挡药板,多根装药的挡药板,涡轮式火箭弹挡药板,装药量大、工作时间长的发动机选耐热合金、玻璃钢等 装药量小、工作时间长的发动机选中低碳钢 涡轮弹选铸钢或稀土球墨铸铁,5.3.3 支撑装置材料选择,作用：产生足够的气体和热量使固体推进剂药柱点燃构成：发火管、点火药、壳体要求：点火可靠 延期时间短，压力峰小

17、 安全性好，受雷电静电感应小，安全发火电流大 维护方便 体积小、质量轻,5.4 点火装置设计,主要类型：点火器 点火发动机选择依据：发动机类型、大小，装药形状 中小型：点火药 大型：点火发动机,5.4.1类型选择,1.点火器：用于中小型火箭发动机整体式点火器：发火管与点火药一同封装在药盒中分装式点火器：发火管与点火药分装组合式点火器：结构复杂，安全性好，中小型铸装发动机,整体式点火器,分装式点火器,2.点火发动机：用于大型火箭发动机，长药柱 特点：产生量大，工作时间长，火焰长度大，能使整个药柱在短时间内全部点燃。组成：点火器 药柱 喷嘴 外壳1）前端喷射式点火发动机：装在中间底上，出口气流为亚

18、音速2）后端喷射式点火发动机：装在喷管扩张段内，工作时被喷出或留在发射架上,作用：在外来能量作用下，产生点燃点火药的气体1）机械发火管：用机械能激发的发火管，撞击的底火、针刺的火帽2）隔膜发火管：用通过隔膜的冲击波能量来激发 特点：时间误差小，密封性好3）电发火管：利用电能激发的发火管（a）火花电发火管：要求高电压（1000015000V）。（b）有缝发火管：导线两端之间填有导电性、易发火药剂。（c）电桥电发火管：导线两端焊有铂铱合金丝或铜镍合金丝作电 桥，外包热敏火药。又分：低、中、高电阻发火管。,5.4.2发火管的分类及构造,隔膜发火管,电发火管,（1）点火药类型选择,热敏度高，亦即它的点

19、燃温度低临界点火压强低 能量特性高，即燃烧温度高燃烧产物应有一定量的固体微粒有较高的燃烧速度 性能稳定,1.黑火药 成分：硝酸钾、木碳和硫磺，其比例是75：15：10 优点：热敏度高，容易点燃；比容高，感度低，价格低 缺点：能量低，容易受潮 用途：点燃双基推进剂 型号：1，2号大粒；1，2，3，4号小粒,5.4.3点火药类型的选择及点火药量计算,要求：,2.烟火剂 成分：氧化剂：过氯酸钾、氯酸钾、硝酸钾、聚四氟乙烯等 燃烧剂：镁粉、铝粉、硼粉和锆粉 优点：热量高，固体微粒多 缺点：不易点燃，安全性差，价格高。用途：点燃复合推进剂 形状：制成薄片、颗粒状 一般先用黑火药使其点燃,（2）点火药量估

20、算,影响点火性能的因素较多，很难找出精确的药量计算式，一般采用经验公式,1.黑火药点火药量估算,最大点火药量（标准发动机）初始自由容积装药临界点火压强黑火药药力热损失系数喷喉面积,其他经验公式：,：初始然面积（cm2）,：初始自由容积,：初始然面积（dm2）：燃烧室内径（dm）：药柱长度（dm）：装填密度（dm3）,（g）,（g）,（g）,半经验公式：,2.烟火剂点火药量估算,点火压强）初始自由容积燃气中固体颗粒相对含量火药力能量损失系数,（g）,2）,（g）,影响点火药量的因素：（1）点火药类型（2）初始燃面（3）初始自由容积（4）推进剂类型（5）点火具位置（6）喷管密封情况（7）环境温度,

21、1）,用途：大燃面、长通道装药,工作后无残渣喷出装填系数大，质量轻 燃烧时间短,1.要求：,2.点火发动机用推进剂及装药 推进剂：可与主装药相同 特制推进剂：用KClO4,燃速高，n大 工作时间：0.20.3s 装药类型：薄肉厚，大燃面装药。如车轮型、树枝型3.推进剂质量估算,：点火药燃气特征速度：点火发动机喷嘴面积,5.4.4点火发动机设计,：主发动机喉部面积：点火流量系数，由实验确定,头部点火：高控点火：,也可,4.点火发动机壳体设计 基本同主发动机 喷嘴形式：（a）用于短发动机（b）用于长发动机 喷孔总通气面积：,：主发动机推力：比例系数，一般,目的：为了使尾翼式火箭在出炮时有一定转速,火箭弹运动方程：,由旋转运动和直线运动的关系可得：,由此式确定导轨角,5.5 导向钮设计,火箭导向钮受力图,则,整理得一般 较小，小于1，,式中、可用初始值、,应力计算：,弯曲应力：剪切应力：接触应力：,侧向力导向钮直径导向钮接触长度弹性模量,一般,可允许定向钮磨损，定向钮材料不能太硬。,