固体火箭发动机原理复习笔记

固体火箭发动机原理

第一章绪论

1.1绪论

火箭发动机：自身携带燃料和氧化剂的喷气发动机（推进剂燃烧不需要依靠空气中的氧气）吸气发动机：自身只携带燃料，燃烧所需要的氧化剂需要吸收空气中的氧气，吸气发动机只能在大气层中工作。

固体火箭发动机（solid propellant rocket engine）:使用固体推进剂，燃料和氧化剂预先均匀混合

液体火箭发动机（liquid propellant rocket engine）:使用液体推进剂（由液态燃料和液态氧化剂组成），常见的有单组元推进剂——肼，以及双组元推进剂——液氢和液氧

1.2 固体火箭发动机的基本结构和特点

固体火箭发动机的基本结构：固体推进剂装药、燃烧室、喷管、点火装置。

固体火箭发动机的类型：固体、液体、固液混合火箭发动机

固体推进剂（是固体火箭发动机的能源和工质）

种类：双基、复合、复合改双基推进剂

装药方式：自由装填（通常需要挡药板使药柱固定）、贴壁浇注

包覆层：用阻燃材料对装药的某些部位进行包覆，以控制燃烧面积变化规律

燃烧室（是固体火箭发动机的主体，装药燃烧的工作室）

特点：有一定的容积，且对高温高压气体具有承载能力

材料：合金钢、铝合金、或玻璃纤维缠绕加树脂成型的玻璃钢结构

形状：长圆筒型

热防护法：在壳体内表面粘贴绝热层或采用喷涂法

喷管（是火箭发动机的能量转换部件）

拉瓦尔喷管：由收敛段、喉部、扩张段组成

中小型火箭多采用锥形拉瓦尔喷管（收敛段和扩张段均为锥形）

大型火箭一般使用特型拉瓦尔喷管（扩张段为双圆弧、抛物线等）

喷管基本功能：

1.通过控制喷管喉部面积大小以控制排出的燃气质量流率，以控制燃烧室内燃气压强

2.利用先收敛后扩张的喷管结构使燃气由亚声速加速到超声速

喉部材料：（喷喉处工作环境恶劣，常发生烧蚀或沉积现象），需采用耐高温耐冲刷的材料，石墨、钨渗铜等

点火装置（提供足够的热量和建立一定的点火压强，使装药的全部燃烧表面瞬时点燃，尽早进入稳态燃烧）

组成：电发火管+点火剂（烟火剂或黑火药）

或点火发动机（尺寸较大的装药）

固体火箭发动机的特点：

优点：

1.结构简单（固体火箭发动机最主要的优点）。

与液体火箭发动机相比，不需要专门的贮箱、复杂的输运系统、调节系统和喷注系统。

2.维护操作简单。

装药成型后能长期贮存于发动机中，因此固体火箭发动机和导弹总是处于待发状态，只需进行简单操作就可发射。

而液体发动机发射前需对气路、液路、电路等系统进行全面检查。

3.火力侵袭力强，可采用多管发射装置发射。

4.固体推进剂密度高。（推进剂密度高，可以缩小固体火箭的体积，减轻火箭发动机结构的质量，从而提高飞行速度）

缺点：

1.能量较低，即比冲小。（比冲是衡量固体推进剂能量的主要指标，比冲小是固体火箭发动机最主要的缺点，目前无论双基、复合或复合改性双基推进剂，比冲均在1960-2700N.s/kg 之间，而液体火箭推进剂的比冲已经超过4500N.s/kg）

2.工作时间较短。

3.发动机的推力可调性差。

4.发动机工作压强较高。（高工作压强增加了燃烧室的强度负荷，导致飞行器的消极质量偏大）

固体火箭发动机的工作过程：（三个能量转换过程组成）

首先，推进剂在燃烧室中燃烧，将其化学能转换成燃烧产物的热能；

其次，燃烧产物在喷管中膨胀，将其热能转换成燃烧产物定向运动的动能；

最后，燃烧产物从喷管中喷出产生的直接反作用力对飞行器做功，将其定向运动的动能转换为火箭的飞行动能。

固体火箭发动机的主要性能参数：（推力、总冲量、比冲、密度比冲、燃烧时间、工作时间、推力系数等）

1.推力——火箭发动机产生的推动飞行器前进的力，由动推力和静推力组成。

动推力：由燃烧产物高速喷射产生，是推力的主要部分

静推力：压强差产生

2.总冲量：推力对整个工作时间的积分，反映发动机做功能力

3.比冲：单位质量推进剂产生的推力总冲量（不仅能衡量推进剂具有的能量，还能衡量发动机工作过程中的能量转化效率）

4.密度比冲：反映单位体积推进剂产生的总冲量（对于总冲量一定的发动机，推进剂密度越大，发动机装填的推进剂越多，则可以降低对比冲的要求）

第二章固体火箭推进剂

火箭发动机对固体推进剂的基本要求：

1.推进剂能量高。

2.推进剂燃烧性能好。

（表现在：a. 推进剂燃速稳定，有尽可能宽的燃速调节范围；

b. 燃烧室工作压强、装药初温及燃气流速对推进剂的燃速影响较小；

c. 推进剂能在很宽的使用温度范围内及较低的压强下稳定燃烧；

d. 燃烧产物无毒，无烟）

3.推进剂力学性能好。

4.推进剂贮存性能好。

5.安定性好。

根据固体推进剂的微观结构，分为均质推进剂和异质推进剂

均质推进剂：具有单相性，氧化剂和燃烧剂以化学形式化合而成，同一分子中既有氧化剂又有燃烧剂

异质推进剂: 具有多相性，氧化剂和燃烧剂机械混合而成

固体火箭推进剂的组成及制造工艺：

1.双基推进剂（DB——Double Base），属于均质推进剂

主要组元：NC（硝化棉）+NG（硝化甘油），属于固态溶液，能量低，密度小，腐蚀性小比冲：2158-2266N.s/kg

制造工艺：

中小型火箭装药——压伸法成型

大尺寸药柱——浇注法

注：增加硝化甘油含量可以提高推进剂的能量，但含量过高时，除了危险，还会造成“汗析”，使推进剂的贮存性能变坏；

双基推进剂能量不如复合推进剂能量高，但其燃烧产物烟少，不产生有腐蚀性的HCl，多用于中小型发动机中。

2.复合推进剂（Composite Propellant），属于异质推进剂

主要组元：氧化剂（AP）+黏合剂（HTPB、CTPB）+金属燃烧剂+微量组元

比冲：

氧化剂：AP（过氯酸铵）是目前应用最广泛的氧化剂，但其燃烧产物中的HCL与水生成烟雾，对发射装置腐蚀严重，且有毒。

黏合剂：通常是高分子化合物，它是复合推进剂的燃烧剂，也是复合推进剂的基体，提供推进剂燃烧所需的可燃元素（C、H、S、P等）以保证推进剂具有一定能量。常用的黏合剂有：PS（聚硫橡胶）、PU（聚氨酯）、PVC（聚氯乙烯）、CTPB（端羧基聚丁二烯）、HTPB（端羟基聚丁二烯）

金属燃烧机：加入是为了提高推进剂的能量和密度，金属燃烧机密度高，燃烧后会放出大量热量。

常用的复合推进剂：（复合推进剂通常以黏合剂来命名）

A.PS推进剂

B.PU推进剂