《西工大固体火箭发动机知识点精品总结.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《西工大固体火箭发动机知识点精品总结.docx（4页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、一、固体火箭发动机：由燃烧室，主装药，点火器，喷 管等部件组成。工作过程:通过点火器将主装药点燃，主装药燃烧，其化学能转变为热能，形成高温高压燃气，然后通过 喷管加速流动，膨胀做功，进而将燃气的热能转化为动能，当超声速气流通过喷管排出时，其反作用力推 动火箭飞行器前进。工作原理:1能量的产生过程2热能到射流动能的转化过程优点：结构简单，使用、维护方便，能长期保持在备战状态，工作可靠性高，质量比高。缺点：比冲较低，工作时间较短，发动机性能受气温影响较大，可控性能较差，保证装药稳定燃烧的临界 压强较高。二、1 .推力是发动机工作时内外外表所受气体压力的合力。内外mue （）当发动机在真空中工作时0
2、.这时的推力为真空推力。把的状态，叫做喷管的设计状态，设计状态下产生的推力叫做特征推力。2 .把火箭发动机动，静推力全部等效为动推力时所对应的喷气速度，称为笠效喷气速度o 3影响喷气速度的因素来自两个方面:a）.推进剂本身的性质b）燃气在喷管中的膨胀程度3 .流量系数的倒数为特征速度*，他的值取决于推进剂燃烧产物的热力学特性，即及燃烧温度，燃烧产物 的气体常数及比热比K值有关，而及喷管喉部下游的流动过程无关。4 .推力系数盘是表征喷管性能的参数，影响推力系数的主要因素是面积比及压强比。当时，为特征推力系 数，是给定压强比下的最大推力系数，0时为真空推力系数。5 .发动机的工作时间包括其产生推力
3、的全部时间,即从点火启动，产生推力开始，到发动机排气过程结束, 推力下降到零为止。确定工作时间的方法：以发动机点火后推力上升到10%最大推力或其他规定推力的一 点为起点,到下降到1096最大推力一点为终点,之间的时间间隔。6 .燃烧时间是指从点火启动，装药开始燃烧到装药燃烧层厚度烧完为止的时间,不包括拖尾段。确定燃烧 时间的方法：起点同工作时间，将在推力时间曲线上的工作段后部及下降段前部各做切线，两切线夹角的 角等分线及曲线的交点作为计算燃烧时间的终点。7 .总冲是发动机推力及工作时间的乘积。总冲及有效喷气速度及装药量有关，要提高总冲，必须用高能推 进剂提高动推力。8,比冲是燃烧一千克推进剂装
4、药所产生的冲量。提高比冲的主要途径是选择高能推进剂， 提高燃烧温度，燃气的平均分子量越小，比冲就越大，比冲随面积比变化的规律及推力系数完全相同。当 大气压强减小，比冲增大，真空时到达最大，提高燃烧室压强可增加比冲。9 .在火箭发动机中常用实际值对理论值的比值来表示这个声别。这个比值就叫做设计质量系数，亦发动机 冲量系数0g =实=C实C侬=g q _ C实1.推力系数的变化规律:比%比/总作高度一盘时廓集骥管在塞通的增大，推济聚硒加大，当达 到某一最大值后，又逐渐减小（2）比热比k、面积比Ae/At一定时,Cf随着发动机工作高度的增加而增大； 2.最大推力分析:、一定时，喷管处于完全膨胀工作状
5、态时所对应的面积比，就是设计的最正确面积比，可 获得最大推力；3 .比冲的影响因素：（1）推进剂能量比照冲的影响。能量高，RTf高，c*高，高；喷管扩张面积比比照冲的影响。在到达特征推力系数前，比冲随喷管扩张面积比的增大而增加I。（3）环 境压强比照冲的影响。减小，增大；（4）燃烧室压强比照冲的影响。当喷管尺寸及工作高度一定时，越高， 越大。（5）推进剂初温T比照冲的影响。比冲随初温的增加而增大。4 .火箭发动机性能参数对飞行器性能的影响：Vmax = Islnu发动机的比冲越大，火箭可以到达的最大速度也越大,射程就越远。（2）火箭的质量数u越大，火箭可以 到达的最大速度也越大.（3）发动机比
6、冲及火箭的质量数可以起到相互补偿的作用。（4）推进剂密度P增 大时,可有效的提高火箭的最大飞行速度在发动机的设计中，应尽可能提高发动机燃烧室的体积，装填密度及改进结构形式、以减小发动机的结 构质量、增大火箭的质量数u。1,双基推进剂优点:生产本钱低、周期短、工艺成熟；在常温下具有较好的安定性及力学性能；燃烧产物 少烟或无烟。缺点：能量较低、燃速范围较窄、低温力学性能及及发动机壳体的粘接性能均较差。2复合 推进剂优点：比冲高、平安性能好、力学性能优良、且原材料易得、制备工艺成熟、适合于制造大型及结 构复杂的药柱。缺点：燃烧产物的烟雾较大.四，L燃烧室热力计算：条件:推进剂的成分及总焰、初温及燃烧
7、室压强。任务：计算燃烧产物的组 分、燃烧温度Tf、燃烧产物的热力学参数、输运参数及推进剂的理论特征速度C*。2.喷管热力计算：已 知条件：（1）燃烧室热力计算的结果（如Tf、燃、组分摩尔数 等）（1）表示喷管计算截面的参数（加了出口 截面压强、喷管面积比等） 任务:计算喷管任一截面上燃烧产物的组分、温度T及热力学参数、输运参 数,并计算发动机的理除比冲。2 .燃烧室热力计算的理论模型：1）固体推进剂的燃烧过程是绝热的，燃烧产物及外界没有热交换，燃烧所 释放的热量全部为燃烧产物吸收。2）固体推进剂的燃烧产物处于化学平衡状态。3）燃烧产物中的每种单 质气体及由它们混合而成的气体都认为是完全气体，它
8、们都符合完全气体状态方程。3 .燃烧室热力计算的内容：1）固体推进剂假定化学式及总焰的计算。2）计算处于化学平衡状态下的燃 烧产物的成分3）在给定压强条件下确定燃烧温度，求出该温度下的燃烧产物的平衡组分及其热力学性质 及输运性质，并计算理论特征速度。五，1平衡流动:燃烧产物在喷管流动过程中，复合反响非常快，基本上能够适应燃烧产物热力学参数变 化的速度（主要是温度、压强随时间改变的速度）2冻结流动:燃烧产物在喷管流动过程中，燃烧产物的 化学成分没有改变，即喷管出口处燃烧产物的成分及喷管入口处燃烧产物的成分相同。3能量平衡流动: 分子热松弛时间很短，温度变化率很小时，气体的比热能够完全适应温度的变
9、化，在任何温度下，比热值 均等于对应温度下的平衡值。4能量冻结流动:燃气在喷管中停留时间很短，分子热松弛时间相对较长，振动自由度上的能量完全来不 及变化，而处于冻结状态。即气体比热为不随气体温度变化的常数5两相平衡流动（热力平衡、动力平衡）：凝相颗粒直径很小，认为气相及凝相之间能到达速度平衡及热平 衡。b动力平衡、热力冻结流动:凝相速度及气相相同，但及气体无热交换，即凝相颗粒温度保持喷管入 口处的数值。c热力平衡、动力冻结流动:凝相温度及气相相同，即凝相颗粒速度保持喷管入口处的数值。 d两相冻结流动（热力冻结、动力冻结）:凝相颗粒速度、温度均保持喷管入口处的数值。4 .喷管热力计算模型:a平衡
10、等端流动模型b冻结等端流动模型c突然冻结的等燧流动模型。5 .平衡膨胀到给定压强的喷管流动计算步骤：1）估算喷管出口截面处的燃气温度2）在给定的压强及选定 的温度下，计算出口截面处燃烧产物的平衡组分3）在给定的压强及选定的温度下，计算出口截面处燃烧 产物的焙4）求喷管出口截面处燃烧产物的温度5）计算出口截面处燃烧产物的其他热力参数。6.平衡膨胀 到当地马赫数的喷管:1等焙方程2表示喷管计算截面的方程3计算方程的求解六、L推进剂装药燃烧外表沿其法线方向向推进剂里面连续推进的速度就是燃速。3.燃速及推进剂的初温，压强，气流速度等因素有关（推进剂本身的性质；推进剂的燃烧环境）r = aP 七.燃烧室
11、压强的重要性；燃烧室压强决定发动机的推力及工作时间燃烧室压强对燃烧室内的燃烧及喷管 膨胀过程有一定的影响燃烧室压强是发动机稳定工作的必要条件燃烧室压强是发动机结构设计的重 要参数2平衡压强影响因素,当推进剂一定时，平衡压强随燃度电的增大而增大。b.当推进剂一定时，平衡压强随 初温的增大而增大。c. nl是平衡压强稳定性要求。第二局部火箭发动机设计基础L装药:具有特定儿何形状及尺寸的固体推进剂，它是发动机的能量源及工质源；燃烧室:用来贮存固体推进 剂装药并提供其燃烧的装置;喷管：用于将推进剂燃烧产生的热能转换为火箭发动机的动能；点火装置：用 于点燃固体火箭发动机装药；2.采用分级方案，将工作完毕
12、的发动机抛掉，减少无用的结构质量。但分级不宜太多，一般24级为宜。过 多的分级会降低动力系统的可靠性;别离机构及级间段结构会增加发动机的消极重量;过多的分级会增加导 弹系统的复杂性.1 .弹道导弹发动机在结构选择上的特点a装药：一般采用贴壁浇注内外表燃烧装药，这样既可以实现大推力、长时间工作，到达射程远的目的； 又解决了大尺寸药柱的制造、支撑及室壁隔热问题。b燃烧室：一般采用中间为圆筒段，两端为半椭球封 头的结构。前后封头均设计有连接裙，便于传递推力及及弹体连接。c点火系统：燃烧室头部安装点火装 置。d喷管：早期由于喷管材料性能的限制，经常采用多喷管的方案（一般为4个）但现在采用单喷管的 方案
13、较多，并且为了提高结构的紧凑程度，很多方案（尤其是潜射型号）采用潜入喷管。f推力矢量控制： 采用喷管摆动或其它方式完成推力矢量控制。全轴摆动的柔性喷管、液浮喷管、珠承喷管，以及液体二次 喷射系统。2 .采用4喷管结构的弹道导弹发动机优缺点：a优点：除提供俯仰及偏航控制外，还可提供滚转控制；b缺点：燃气需要急剧转弯才能从分布在四周的喷 管流出，燃气流动不畅会引起严重的热损失，降低比冲；流动不畅产生的受热严重还会引起烧蚀问题；由 于弹体直径的限制，限制了喷管膨胀比。3 .空-空战术导弹发动机特点:空-空导弹是由S机发射的用于攻击并摧毁空中目标的武器。分为近程20）、 中程（20-50）及远程（50
14、） o有单推力及双推力两种动力方案;从动力上双推力发动机在整个飞行过程中飞行 速度变化平稳有利于控制，而且飞行末速也较大。因此空-空导弹动力系统一般具有助推及续航两级推力。 4.单推力近程空空导弹发动机（1）药柱:内外表燃烧，自由装填，采用大量、连续生产的双基药；（2）壳体：铝合金，发动机重量轻, 经济性好；（3）喷萱：根据结构需要采用普通喷管或长尾喷管；（4）点火器:头部点火或尾部点火；（5） 为了调整温度变化引起的药柱轴向变形，并使飞机在起飞降落时不致损坏药柱，在药柱轴向采用了弹性支 撑。5 .地空导弹发动机地一空战术导弹用于拦截飞机、空一地导弹、巡航导弹及战术弹道导弹，因此在动力上要求尽
15、快到达追击 速度。地一空战术导弹发动机特点：多采用助推及续航双推力发动机结构,早期多采用液体发动机，目前 多采用固体发动机及冲压发动机。6 .端面燃烧药柱发动机：（1）装填比高，工作时间长（药柱可以制造得很长），推力较小（燃面受到弹径的限 制）（2）燃烧室壁需要良好的热防护措施（燃气直接及室壁接触）（3）工作过程中质心变化大，影响弹体控制； 作为串联的续航发动机靠近弹体质心处,采用倾斜喷管或长尾喷管。7 .侧面燃烧药柱发动机：（1）内孔燃烧药柱发动机:药柱本身具有隔热作用,采用贴壁浇注，既解决了壳 体放热问题，也解决了大直径药柱的制造工艺及支撑问题；燃面大，不受弹径限制；多用于推力加大，工 作
16、时间较长的主发动机；（2）内外侧面燃烧药柱发动机:典型的是单根或多根管药柱发动机;药柱内、外外表可同时燃烧，用于推 力大、工作时间短情况，常用于助推发动机；药形简单、制造容易，燃面恒定，可获得等推力；受热严重， 工作时间长需要放热措施；药柱自由装填，需要支撑及固定。8 .三维药柱发动机:三维药柱燃烧方向是三维的，有翼柱形、锥柱形、开槽管形以及变截面及端面燃烧星 形、车轮形等；翼柱形及锥柱形药柱发动机是同时开展起来的高装填分数、无余药发动机，适合于长时间 工作的大中型发动机。9 .选择发动机结构形式的原那么:能适应发动机的用途的战术技术性能要求；发动机重量轻及结构紧凑；工艺 性良好、研制费用低、
17、研制周期短。10 .总体设计需要确定的主要设计参数:发动机直径;发动机大致的长径比;发动机燃烧室工作压强;喷管 扩张比。 确定发动机总体参数最基本的原那么是在保证发动机性能要求的同时，尽可能提高发动机的冲 质比。11 .燃烧室压强的选择：a燃烧室压强首先应保证固体推进剂正常燃烧。b在总冲一定时，一方面，提高工作 压强，使比冲提高，推进剂质量减轻，使发动机减轻。另一方面，燃烧室壳体壁厚随工作压强而增加，使 发动机质量增加。C选择燃烧室压强，在保证高于临界压强的基础上，按冲质比最大的原那么选择。15 .封头的型式有哪些，假设是等壁厚设计。半球椭球碟形平头 大型固体发动机常用碟形封头。圆柱形 燃烧室
18、壳体采用半球、椭球、碟形，平底封头只用于小直径燃烧室壳体.燃烧室热防护:固体火箭发动机的主要热防护方式为被动热防护；自由装填燃烧室一般采用耐热绝热层 进行热防护;贴壁浇铸燃烧室一般采用消融绝热层进行热防护。16 .喷管特点:a喷管收敛段、喉部及扩张段内型面在结构上需要能够很好的将燃气的热能转换为发动机 的动能。b热防护的热防护层一般至少由两种材料组成：耐烧蚀材料及绝热材料。c喉衬主要采用耐烧蚀材 料，喉衬的背壁及烧蚀层背壁的绝热层采用绝热材料。17 .发动机总体参数有哪些？确定总体参数的依据是什么？固体火箭发动机详细设计步骤？总体参数：总体结构型式确实定及主要结构材料的选择；推进剂的选择；装药
19、型式；发动机直径及长 径比的选择；燃烧室压力的选择；喷管膨胀比的选择总体参数的依据：1）发动机用途:发动机的用途主要指所用导弹的类型及级别2）性能指标：发动机总冲及其 偏差,发动机比冲及其偏差,推力方案,发动机工作时间,推力控制,可靠性3）约束条件:总长,直径,质量,重心位置，点火延迟时间,推力终止装置的要求4）环境条件:贮存环境,运输环境，使用环境,飞行环境5）勤务处理及经济方面的要求详细设计步骤：（1）推进剂热力计算：其目的是求得推进剂的热力学性质，为发动机性能预估中内弹道计算提供原始参数。 另外，有时还要求给出排出燃气的组成，作为考虑排气烟雾的依据。（2）药柱设计：一般包含三个基本局部，
20、几何形状设计、内弹道性能计算及结构完整性分析。（3）燃烧稳定性分析：基于对不稳定燃烧机理的研究，配合先进的计算方法，目前对发动机内的燃烧稳定 性可以进行预估性验算。（4）发动机结构设计,受热及强度分析：包括燃烧室,喷管及点火器结构设计及发动机各局部的密封设计;而 壳体及喷管设计那么必然伴随着受热、选材、烧蚀及强度方面的考虑（5）流场分析。18 .选择装药的依据是什么？固体推进剂选择原那么：应具有尽可能高的能量特性，应具有所要求的内弹道特性，应具有良好的燃烧特 性，应具有良好的力学性能，应具有良好的热安定性及贮存安定性，应具有良好的经济性。药型的选择原那么：Q）所选药形的燃面变化规律应符合主要技
21、术要求中规定的推力随时间变化方案。（2） 所选药形应具有足够的燃烧面积，以获得所要求的推力。（3）所选药形应使发动机具有较高的n ,以保证 发动机具有较高的冲质比。（4）尽量无余药，以减少能量损失或推力拖尾现象。（5）所选药形应具有足够 的强度，有较好的结构完整性。选择药形的基本原那么，归纳起来是三个，即能量特性及内弹道特性、结构完整性及工艺性。19 .燃烧室及喷管的常用热防护措施有哪几种？喷管的热防护设计在于尽可能使喷管型面在工作过程中不改变或少改变，并使其支撑结构的温度控制在 许可的范围内。主要工作是选择热防护材料（烧蚀及绝热材料），进行传热、烧蚀及热应力分析，确定热防 护结构形状及尺寸。