发动机设计复习整理

火箭发动机设计复习提纲

1．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：

●总体结构形式的确定及主要结构材料

的选择

●推进剂的选择

●装药型式●发动机直径和长径比的选择●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和级别

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，重心位臵，点火延迟时间，推力终止装臵的要求

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

详细设计涉及装药、内弹道、燃烧机理以及壳体受热、应力分析等等一系列设计、分析、计算过程。整个计算过程包含着一系列的重叠和反复（与初步设计之间也存在反复）。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：一般包含三个基本部分，几何形状设计、内弹道性能计算和结构完整性分析。

（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和发动机各部分的密封设计；而壳体和喷管设计则必然伴随着受热、选材、烧蚀及强度方面的考虑。

（5）流场分析。

2．由于发动机使用温度范围的不同会导致内弹道性能的不稳定，在结构上应采取什么措施？

固体推进剂的燃速受初温影响比较严重，使用环境的温度不同，发动机内推进剂的燃速不同，从而导致发动机内弹道性能变化，此时可采用可更换喷管或可调喷管结构，改变喉部面积大小，与实际燃速相适应，以减小初温改变带来的影响。

3．弹道导弹发动机结构有何特点？

（1）一般采用贴壁浇铸的内孔燃烧药柱，这样既可以实现大推力、长工作时间，达到射程远的目的；又解决了大尺寸药柱的制造、支撑及室壁隔热问题。

（2）燃烧室壳体一般采用中间为圆筒段，两端为半椭球封头的结构。燃烧室头部装有点火装臵。为传递推力和与弹体连接，在前、后封头处均设计有连接裙。

（3）喷管一般都采用潜入式的，这样可以缩短发动机的轴向尺寸。现代导弹多采用单喷管，早期有采用多喷管（一般为4个）的。

4．选择装药的依据是什么？

药柱、绝热层和衬层统称为装药。其中，药柱的选择包含固体推进剂的选择和药柱形状、尺寸的选择。

固体推进剂选择原则：

（1）应具有尽量高的能量特性：推进剂的能量特性是以体积比冲（比冲与密度的乘积）来表征的；

（2）应具有所要求的内弹道特性：燃速的调节范围要宽；推进剂的压强指数应尽量低；推进剂的燃速温度敏感系数应尽量小。

（3）应具有良好的燃烧特性；

（4）应具有良好的力学性能；

（5）应具有良好的热安定性和贮存安定性；

（6）应具有良好的经济性。

药柱形状、尺寸的选择原则：

选择药形的基本原则，归纳起来是三个，即能量特性及内弹道特性、结构完整性和工艺性，再综合考虑其他方面的原则。具体可论述为：

（1）所选药形的燃面变化规律应符合主要技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；

，以保证发动机具有较高的冲质比；

（3）所选药形应使发动机具有较高的

v

（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。

绝热层和衬层的厚度选择要依据燃烧室内部相应的热防护计算结果确定。

5．一维端面燃烧装药有什么优缺点，对缺点采取哪些改进措施？

一维端燃药柱的优点：结构简单，工艺性好，药柱结构完整性易得到保证；装填分数高；无侵蚀燃烧；无余药，内弹道曲线无明显拖尾端；工作时间长、推力平稳。

缺点：壳体直接与燃气接触，带来了燃烧室的热防护问题；贴壁浇注后易产生应力集中；燃烧方向单一，易产生燃烧不稳定；发动机工作过程中，质心位臵变化大，会影响导弹控制性能；推力较小。

针对缺点采取的措施：药柱外包覆绝热层和衬层，保护壳体；推进剂药柱两端进行人工脱粘，释放应力；改进推进剂配方，抑制不稳定燃烧；推进剂中加入金属丝增加燃速，提高推力；将其臵于助推发动机前靠近导弹质心处，解决飞行器质心偏移过大问题。

6.叙述确定发动机直径和长径比的步骤。

当壳体材料和固体推进剂选定后，我们就可以基于总冲指标根据壳体结构质量最轻原则来确定燃烧室壳体的直径和长度。

我们将保证给定总冲、并与最轻质量相对应的燃烧室直径叫做“最佳直径”，对应最佳直径的长径比叫做“最佳长径比”。

设计的流程可表述为：

当给定发动机的总冲指标和选定的推进剂后，可计算出推进剂的质量和体积：

,)P s P P P s P m I I V m I I ρρ===

然后根据燃烧室内推进剂的体积装填分数V η计算出燃烧室容积c P V V V η=。在给定的壳体材料的情形下，根据计算出的c V ，依据壳体材料质量最轻原则计算出发动机壳体的最佳半径c r *，然后

可计算出最佳长径比λ*

，最后计算出最佳长度c c L r λ***=。（其中c r *为壳体的中面半径，对大型发动机而言可近似取为壳体内径）。

最佳长径比λ*较小时，发动机的总质量m m 对c r 非常敏感，尽量取c c r r *=；对于较大的λ*，可根据实际情况，使c r 在c r *附近取值。