固体火箭发动机设计Rocket

缺 点 是 ：1,药 形 复 杂 ， 使 药 模 制 造 困 难 ， 同 时 这 种 复 杂 的 内 孔在星尖处有很大的应力集中现象，使药柱强度低，易出现裂 纹；2,燃烧结束后有剩药，造成推进剂浪费，同时也使发动机推 力、压力曲线有较长的拖尾现象。
• 工作条件 • 金属丝的几何尺寸 • 金属丝的表面状况
固体火箭发动机设计复习题及答案
Black∗ December 11, 2012
1 第一章
1.1 比冲和总冲的定义？
总 冲 量I用 发 动 机 推 力F 对 时 间 变 量t在 整 个 发 动 机 工 作 时 间ta区间的积分来表示,即
ta
I = F dt
(1)
0
比冲量Isp表示单位重量推进剂所能产生的冲量,即
2.14 金属丝的根数和埋置位置主要影响什么？
它们主要影响发动机工作的起始段和尾段，以及剩药量。
2.4 星形药柱的设计参量有哪些？
星形药柱的几何参量有：药柱外径D、药柱肉后e1、药柱长 度L。还有星空参数：星角数n、星边夹角θ、角度系数ε、过渡 圆弧半径r以及星角圆弧半径r1等。
设计参量有：燃烧面积、通气面积、剩药面积
为了反应推进剂的应力松弛效应，通常采用广义马克斯韦尔 模型来模拟推进剂的力学性质。应力松弛模量用下式表示：
n
t
E(t) = Ee + i=1 Ei exp(− τi )
(7)
连接结构可以分为可拆和不可拆分两大类。属于前者的有螺 纹连接、螺柱连接、卡环连接和销钉连接等；后者则有焊接、 铆接、过盈配合和粘结等。
1.13 确定发动机工作压力的原则有哪些?
通常可以按照如下原则来选择发动机工作压力： • 要保证推进剂能正常燃烧； • 要使重量比冲尽可能大； • 要考虑工作时间的要求。
1.20 通气参量J、æ是如何定义的？
通气参量J 的定义为
J = At
(5)
Ap
通气参量æ的定义为
S
æ=
(6)
Ap
式中At为喷管喉部面积、Ap为燃气通道面积、S为燃面面积。
• 发动机重量比冲最大；
2 第二章
2.1 装药设计的基本要求是什么？
装药设计应保证如下基本要求：
• 具有规定的装药量，以保证发动机具有规定的总冲量；
• 具有规定的燃烧面积或总燃层厚度，以保证发动机具有规 定的推力或工作时间；
• 在低空和低温工作条件下喷管内不出现激波和气流分离。
• 能够恒面燃烧，从而获得等推力、等压力的工作过程；
• 发动机的总体设计;
1.6 发动机结构形式选择的原则？
• 发动机的装药设计;
在选择发动机的结构形式时应该遵循如下原则：
• 发动机的燃烧室设计;
• 能适应发动机的用途和战术技术性能要求；
• 发动机的喷管设计;
• 使发动机的重量轻和结构紧凑；
• 点火装置设计。
• 使发动机具有良好的工艺性、研制费用低和研制周期短。
2
• 通气参量不超过临界值，以保证推力波动小和不产生过大 的压力峰；
• 装填系数尽量高，剩药系数尽量低，使发动机的结构质量 小，发动机比冲和体积比冲高；
• 药柱有足够的强度，等等。
2.7 掌握管形装药的设计方法。
2.8 确定管形几何尺寸时，必须保证哪些限制条 件，控制哪些限制条件？
必须保证发动机具有规定的推力、工作时间和总冲量（或装 药总重量），具有最大的装填系数，具有适当的通气参量。
2.2 一、二和三维装药的特点是什么？各典型药形 有哪些？
2.2.1 一维药柱（端燃药柱)
主要优点是：1，能够恒面燃烧；2,工作时间可以很长；3,装 填 系 数 最 大 ；4,不 会 出 现 初 始 压 力 峰 ；5,形 状 简 单 ， 制 造 容 易；6,具有固定的高强度等。
主要缺点：1,燃烧面积很小，因而推力小；2,在燃烧过程中发 动机中心移动大；3,高温燃气与燃烧室璧接触，必须有厚的绝热 层。4,存在“爬升”现象，需要采取弥补措施；5,点火困难。
I
Isp = mpg
(2)
1.2 固体火箭发动机主要设计任务包括哪几个部 分？
固体火箭发动机设计任务是:
1.4 固体火箭发动机的研制过程？
固体火箭发动机的研制过程一般可以分为四个阶段,即方案论 证阶段、技术设计阶段、飞行试验阶段和设计定型阶段。
1.5 按结构形式对固体火箭发动机分类？每种的特 点（简答）？
应根据如下原则来选择推ຫໍສະໝຸດ 剂：1.17 为什么要进行热力参量的估算？
• 推进剂应具有所需的能量特性;
1.18 为什么要进行发动机的设计参量估算？
• 推进剂应具有所要求的内弹道特性;
1.19 装填系数是如何定义的？
• 推进剂应具有良好的燃烧特性; • 推进剂有具有足够的力学特性; • 推进剂应具有良好的物理、化学安定性;
2.9 星形装药几何参数计算方法？ 2.10 端燃药柱的初始段爬升现象是怎样形成？
造成开始段爬升的原因有很多，其主要原因是：
• 热损失大
• 燃烧室填充时间长
应该指出，引起端燃药柱发动机压力爬升现象的因素有很 多，初主要与发动机散热损失有关外，还与推进剂性能，制造 工艺，点火具性能等有关。
2.2.2 二维药柱（侧燃药柱）
可以根据内弹道性能的要求，例如允许的推力波动值来确定 通气参量和装填系数的临界值。
除了上述原则外，对于平台火药，所选取的工作压力还应在 平台区域内。对于在某压力区域内易发生不稳定燃烧的推进 剂，选取压力时应避开该压力区。
1.14 确定膨胀比的原则有哪些？
选择膨胀比应按一下原则：
• 发动机推力或比冲最大；
发动机的结构形式很多,可以按照药柱种类、药柱装填方式、 喷管数目、喷管形式和推力级数等来分类。
• 按药柱种类分: 端燃药柱式、内燃药柱式和内外燃药柱式；
• 按药柱装填方式分：自由装填和铸装式两种；
• 按喷管数目分：单喷管和多喷管；
• 按喷管形式分：普通喷管式和潜入喷管式；
• 按推力级数分：单推力式和双推力式。
• 复合推进剂：1,能量特性比较高；2,可直接浇注在燃烧室 壳体内,因而能够制造出大直径的药柱；3燃速可以在比较 宽的范围内调节； 4,火焰温度比双基药高，但比改姓双基 药低，易于解决材料问题；5,压力指数和温度系数都比较 低6,临界压力低，是燃烧室压力低，壳体轻。
1
• 复合双基推进剂：1,优异的能量特性；2,燃速较高，可以调 节；3,低温力学特性较差，但是加入交联剂可以改进。 适 用于温度可控的战略武器上，特别是用于多级火箭的后两 级上。
4.4 为什么要进行封头开孔补强？
当t = 0时，
n
E(0) = Ee + Ei
i=1
称为推进剂的玻璃模量，或称为瞬时模量。 当t = ∞时，
E(∞) = Ee
通常，燃烧室壳体的前、后封头都开有大小不等的孔，分别
(8)
用以安装点火器和喷管组件，以及装填药柱或浇注推进剂和 安装芯模。封头开孔后，其强度受到很大的削弱。尽管开孔部
• 合理地设计喷管以提高比冲;
• 合理地选择燃烧室压力,压力降低可使发动机结构重量减 轻,但 同 时 也 会 使 比 冲 降 低,因 而 必 有 一 最 优 压 力 值 存 在,使 该发动机的重量比冲最大.
∗Tel:18045101705,Email:1507912984@
• 双基推进剂：1,可连续，大量生产；2，机械强度高；3，火 焰温度低； 4，长期储存具有良好的安定性；5，对潮湿环 境不敏感；6，性能再现性好
装填系数为
η = AT
(4)
Ac
式中AT 为药柱的横截面积、Ac为燃烧室内腔的横截面积。
• 推进剂应具有最小的危险性; • 推进剂的生产经济性好。
1.11 发动机的主要设计参量有哪些?
发动机的主要设计参量包括发动机直径、工作压力和膨胀 比。
1.12 发动机的工作压力对发动机性能有何影响?
压力的高低不仅影响到发动机是否正常与稳定，而且影响到 发动机比冲的大小、发动机的工作时间、装药尺寸以及发动机 的结构质量等等。
2.2.3 三维药柱（侧端面同时燃烧的药柱）
2.12 在端燃药柱中埋置金属丝的目的是什么？
三维药柱的燃烧面变化规律不仅与药柱有关，而且也与长度 有关。
典型有短管形药柱、短内燃管形药柱、锥孔药柱、开槽管形 药柱、锥柱形药柱、翼柱形药柱、球形药柱等。
以物理方法提高燃速，从而提高发动机的推力。
2.13 影响金属丝燃速的主要因素有哪些？
为了克服按推力最大原则选择喷管膨胀比的弊病，采用重量 比冲最大的原则来确定膨胀比更为合理。
• 推进剂应具有所需的燃速； • 推进剂的燃速压力指数n应该尽量低； • 推进剂的燃速温度系数应该尽量低。
1.10 推进剂的选择原则（简答）?
1.16 发动机的主要热力参量有哪些？
发动机理论比冲Isp0、理论特征速度C0∗、理论推力系数CF 0、 燃气温度Tg 、绝热指数k和燃气的物理性质（导热系数λ、粘性 系 数µ、 比 热cp ） ， 发 动 机 实 际 比 冲Isp 、 实 际 特 征 速 度C ∗ 、 实 际推力系数CF 等。
1.7 壳体材料的选择原则（简答）？
应该根据以下原则来选择壳体材料： • 材料的比强度高; • 材料的韧性好; • 能保证壳体具有足够的刚度; • 材料的工艺性好; • 材料的经济性好。
1.8 固体推进剂有几种?基本特性（简答）？
固体推进剂有双基推进剂、复合推进基和复合双基推进剂三 大类。
• 合理地选择发动机结构(如采用球形壳体),尽量减小Fc(燃烧 室壳体的结构特征参数);
2.6 肉后系数的大小对装药性能有何影响？
装填系数ηV 与肉后系数e1有关。e1愈大，ηV 愈大。为了保证 有适当的装填系数ηV ，e1应该足够大。