固体火箭发动机的结构设计课件

1、第五章 固体火箭发动机的结构设计 第一节 燃烧室设计（一）小节一燃烧室壳体设计（二）小节二连接底设计（三）小节三燃烧室内壁的隔热与防护第二节 喷管设计（一）小节一喷管的结构形式（二）小节二锥形喷管型面设计（三）小节三喷管热防护设计下一页第五章 固体火箭发动机的结构设计 第三节 装药支撑装置设计（一）小节一支撑装置设计要求（二）小节二支撑装置结构形式（三）小节三支撑装置材料选择第四节 点火装置设计（一）小节一点火装置类型的选择（二）小节二发火管的分类及构造（三）小节三点火药类型的选择及点火药量估算第五节 导向钮设计下一页上一页第一节燃烧室设计燃烧室设计必须满足如下基本要求：(1) 在具有足够刚度

2、和强度的前提下，应尽量减轻质量。 (2) 燃烧室与战斗部及喷管的连接可靠性、同轴性好。 (3) 连接部位密封性好。 燃烧室设计的主要任务是： 合理地选择结构形式和材料；根据所受载荷估算壳体壁厚及连接螺纹长度；进行强度验算确定壳体的强度储备量；进行受热分析和热防护设计。 5.1.1燃烧室壳体设计一、 燃烧室壳体结构的选择 1.壳体的结构形状 1）金属结构外螺纹结构图51(a)、(b)、(c)所示的燃烧室壳体为外螺纹结构。内螺纹结构图51(d)、(e)、(f)所示为内螺纹结构，是目前火箭弹常用的结构。 返回上一页下一页第一节燃烧室设计2）纤维缠绕结构图53所示的结构是一种用经过树脂浸渍过的玻璃纤维

3、在缠绕机的芯模上缠绕而成的玻璃钢燃烧室。2.连接结构燃烧室壳体与连接底(前封头)或喷管、连接底与点火具之间都存在连接问题。连接结构可分为可拆卸连接与不可拆卸连接两种： 可拆卸连接有螺纹连接、螺柱连接和卡环连接；不可拆卸连接有焊接、铆接、过盈配合和粘接等。 二、燃烧室壳体材料选择 1.对燃烧室壳体材料的要求材料的比强度高。材料的韧性好，确保壳体不会发生脆性破坏。材料具有良好的加工工艺性。材料来源丰富，经济性好。返回上一页下一页第一节燃烧室设计2.常用材料种类及其特性（1）金属材料常用于燃烧室壳体的金属材料主要包括高碳钢、合金钢和高强度硬铝等。（2）复合材料复合材料是由高强度的增强材料(如玻璃纤维

4、丝或玻璃纤维布)和环氧树脂在一定形状的芯模上缠绕而成的结构材料。三、燃烧室壳体壁厚计算 1.低速旋转尾翼式火箭弹燃烧室壳体壁厚的计算 燃烧室壳体满足强度要求的最小壁厚为返回上一页下一页或第一节燃烧室设计2. 燃烧室壳体的图纸壁厚 通过强度计算所求得的燃烧室壳体壁厚是理论的最小壁厚min，还不能将此壁厚值直接标注在零件图上，因为燃烧室壳体壁厚是个较小的量，而加工精度等级又不可能定得太高，所以各种制造公差对壁厚将产生较大的影响。有两种制造公差必须考虑： 一个是内径和外径的尺寸公差；另一个是内径和外径的不同轴度。零件图上要标注内外径的公称尺寸和公差。四、 燃烧室壳体强度校核 在完成燃烧室壳体的结构选

5、择和尺寸计算之后，应进行强度校核。 五、 连接强度计算 根据对燃烧室提出的要求，连接螺纹必须保证连接的可靠性、密封性和同轴性。为此，螺纹应有足够的刚度和强度。 返回上一页下一页第一节燃烧室设计六、 加工精度和强度试验1. 燃烧室壳体内外径公差及连接同轴度选取原则选择公差考虑的因素很多，除必要的理论分析之外，还要参考定型产品的数据。2.燃烧室壳体的强度试验燃烧室壳体的安全与可靠具有特别重要的意义，不仅在设计过程中应仔细地计算、校核，在制造过程中也要百分之百地进行非破坏性强度试验。返回上一页下一页第一节燃烧室设计5.1.2连接底设计 连接底(或称前封头)与燃烧室壳体构成火箭装药的封闭端。它还具有连

6、接战斗部或仪器舱，以及调整全弹质量和成为杀伤破片的作用。 对连接底的技术要求是：(1) 在保证有足够强度的条件下，质量要轻。(2) 有良好的密封作用和隔热作用，确保安全。(3) 与战斗部和燃烧室壳体连接的同轴性好。(4) 结构工艺性好。连接底设计的主要任务是确定结构及根据强度计算确定连接底的厚度。 一、 平板连接底 返回上一页下一页二、 曲面连接底 碟形连接底的壁厚可根据相应的椭圆比利用椭球形连接底的壁厚计算式(5-28)和式(5-29)来估算。 第一节燃烧室设计5.1.3燃烧室内壁的隔热与防护固体推进剂在燃烧室内燃烧时，将产生高温高压气体，为了减小高温高压气体对燃烧室壁的传热，避免燃烧室壳体

7、温度升高后材料强度下降，通常在燃烧室内壁涂覆一层绝热层。返回上一页下一页第二节喷管设计 设计喷管时，要保证如下基本要求： (1) 工作可靠。(2) 效率高 (3) 推力偏心小。(4) 结构质量轻。(5) 工艺性好，成本低。喷管设计的主要任务是选择喷管的结构形式；设计内型面参数；确定热防护措施。 5.2.1喷管的结构形式 1.单喷管与多喷管 只有一个燃气通道的喷管叫单喷管；多于一个通道的喷管叫多喷管。选择单喷管还是多喷管结构主要是根据火箭的总体设计要求来确定。 返回上一页下一页第二节喷管设计 2. 简单喷管与复合喷管 简单喷管是指由单一材料制成的喷管，如全金属喷管，常用于工作时间较短、燃气温度较

8、低的发动机中。复合喷管是指采用几种材料制成、具有良好热防护层的复合结构喷管，如喷管内衬为耐热材料的喷管。3. 锥形喷管与特型喷管 喷管扩张段母线为直线形的喷管称为锥形喷管。由于这种喷管形状简单、工艺性好，在中、小型火箭发动机设计中被广泛采用。扩张段母线为曲线形的喷管称为特型喷管或钟型喷管。 5.2.2锥形喷管型面设计 1.收敛段2.喉部(临界段) 3.扩张段返回上一页下一页第二节喷管设计 5.2.3喷管热防护设计 一、 喷管热防护材料的选择 1.喉衬材料 (1) 高熔点金属的特点是熔点高，能使表面温度达到很高而不致熔化。 (2) 发汗材料常用的发汗材料有钨渗铜和钨渗银。(3) 石墨材料石墨材料

9、属碳基材料，常用的有多晶石墨、热解石墨等。 (4) 碳碳复合材料碳碳复合材料是一种新型的耐高温、耐烧蚀材料。(5) 增强塑料这种材料主要用做大型喷管(dt25cm)的消融喉衬。2.耐烧蚀层材料 除喷管喉部需要用喉衬来做热防护外，与高温燃气直接接触的喷管其余表面皆需用耐烧蚀层来作热防护。3.绝热层材料 绝热层可以采用上述增强塑料，如玻璃布酚醛、石棉毡酚醛等制造；也可以采用石棉、二氧化硅充填的丁腈橡胶来制造。 返回上一页下一页第二节喷管设计 二、喷管热防护层厚度计算 由于沿喷管轴线上燃气的压强、温度和流速各处不同，变化较大，故对喷管壁的冲刷、烧蚀也不一样，因此各处热防护层厚度也应不同。喷管热防护层

10、的厚度可用下式计算 =b+c+d式中 b烧蚀厚度；c炭化层厚度；d安全裕量厚度。返回上一页下一页第三节装药支撑装置设计 5.3.1支撑装置设计要求 (1) 有足够的强度和刚度。 (2) 挡药板上的通气面积应尽量大一些，使之尽可能减小对燃烧室压强的影响 。(3) 尽量减小气动偏心，使挡药板的通气面积均匀对称分布，特别对于旋转火箭弹，要求挡药板质量对称分布，以减小动不平衡度的影响。 (4) 挡药板应有足够的支承面，装药的通气孔不应被挡药板遮盖。 (5) 挡药可靠。 (6) 前支撑件通常做成弹性件，以减小因装药与金属的线膨胀系数的差异而引起的装药高温的热应力，前支撑件还可做点火具的支承架。(7) 挡

11、药板迎气流面的边缘应做成圆角过渡，因为尖锐的棱角使气流阻力大，且容易被烧蚀，而烧蚀产生的熔融金属流，又会使喷管喉部被冲刷成深槽，产生较大的气动偏心。(8) 工艺性要好，制造和装配应方便，适于成批生产的要求。 返回上一页下一页第三节装药支撑装置设计 5.3.2支撑装置结构形式一、前支撑件 前支撑件可做成刚性和弹性两种结构形式，但较多的是弹性件。前支撑件只承受装药因初温而产生的热膨胀力，气流速度小，烧蚀较轻，受力小， 对结构的强度和刚度要求不高。图520所示是刚性结构形式的前支撑件。图521是弹性结构形式的前支撑件。二、后支撑件后支撑件(挡药板)因烧蚀较严重，对强度和刚度要求较高，因此一般制成刚性

12、结构，其结构形式取决于装药的装填方式。图522为用于单根装药的后支撑件。图523为用于多根装药的后支撑件。返回上一页下一页第三节装药支撑装置设计 5.3.3支撑装置材料选择选择支撑装置材料的一般原则是： 对于装药量较大，燃烧时间又较长的发动机一般选用耐热合金或采取热防护措施。对于装药量较小，燃烧时间又较短的发动机一般选用中、低碳钢。 返回上一页下一页第四节点火装置设计 点火装置设计应满足以下要求： (1) 点火可靠。即点火装置不失效、不瞎火。 (2) 点火性能好。 (3) 安全性好。 (4) 维护使用方便。 (5) 体积小、质量轻、加工方便、经济性好。 设计点火装置的任务主要是选择点火装置的类

13、型、发火管类型以及选择点火药型号、确定点火药量。 返回上一页下一页第四节点火装置设计 5.4.1点火装置类型的选择 1.点火器 （1）整体式点火器发火管与点火药做成一体，放置在点火药盒内，如图524所示。（2）分装式点火器发火管与点火药是分装的。如图525所示。 2.点火发动机 （1）前端喷射式点火发动机前端喷射式点火发动机广泛应用于大型火箭发动机中，它固定在主发动机的前封头上。如图526(a)、(b)、(c) 所示。（2）后端喷射式点火发动机这种点火发动机安装在地面发射车支架上，并伸入大型火箭发动机喷管的扩张段内，工作完后留在地面或发射车内。如图527所示。返回上一页下一页第四节点火装置设计

14、 5.4.2发火管的分类及构造 发火系统主要由发火管组成，发火管一般有以下几类： (1)机械发火管 这类发火管是用机械能来激发的发火管。 (2)隔膜发火管 利用通过隔膜的冲击波能量来激发的发火管 (3)电发火管 利用电能来激发的发火管。返回上一页下一页5.4.3点火药类型的选择及点火药量估算一、 点火药类型的选择1.点火药应具有的特性 (1) 热敏度高，即它的点燃温度低。(2) 在规定的工作环境下易于点燃。点火药本身的临界点火压强低。(3) 能量特性高。要求点火药燃烧温度高，爆热或火药力大。(4) 燃烧产物应有一定量的固体微粒。(5) 有适当的燃烧速度。(6) 性能稳定。长期储存不吸潮、不氧化

15、、不变质等。2.常用的点火药有黑火药和烟火剂两种(1) 黑火药 黑火药的主要成分是硝酸钾、木炭和硫磺，其比例是751510。 (2) 烟火剂 烟火剂种类很多，它们主要由氧化剂、燃烧剂和黏合剂组成。 第四节点火装置设计 返回上一页下一页二、点火药量的估算 1.黑火药点火药量估算常用的适用面较宽的半经验公式为第四节点火装置设计 返回上一页下一页2.烟火剂点火药量估算以下两个经验公式适用于复合推进剂的点火器设计（1）（2）第五节导向钮设计 导向钮的形状多为圆柱形。与弹体的连接方式有焊接、螺接或胶接。 火箭弹在定向器内运动所受到的力有推力F；螺旋导轨通过导向钮给予的侧向力Fn和摩擦力Fnf，见图531

16、。 返回上一页求得侧向力Fn之后，可以用此力计算导向钮的弯曲应力、剪切应力和接触应力，并进行强度校核。 弯曲应力剪切应力接触应力图51燃烧室壳体结构 返回(a) 螺纹外径等于燃烧室外径的结构；(b) 螺纹外径大于燃烧室外径的结构；(c) 螺纹外径小于燃烧室外径的结构；(d) 有退刀槽的内螺纹结构；(e) 无退刀槽的内螺纹结构；(f) 有定位面的内螺纹结构；(g) 不带定位面的内螺纹结构；(h) 带定位面的前端封闭结构；(i) 后端半封闭结构 图53玻璃钢燃烧室 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模压件 返回图520刚性前支撑件 返回图521弹性前支撑件 返回(a) 弹性元件为弹性壁；(b) 弹性元件为弹簧；(c) 弹性元件为弹簧片 图5