固体推进剂火箭发动机的结构分析

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：图13-42 固体推进剂火箭发动机的结构与传统的金属材料相比，复合材质发动机壳体不仅重量轻，并且比强度大，耐腐蚀性良好。喷管的设计类似于液体推进剂火箭发动机喷管的设计，设计时以最小化流动损失为条件。碳复合材料由热分解的碳基碳纤维材质构成的复合材料。

固体推进剂火箭发动机由发动机壳体、药柱、喷管、点火器等构成，如图13-42所示。

1.发动机壳体

发动机壳体是固体推进剂火箭发动机的载体和燃烧室。推进剂燃烧时，燃烧气体压力约为100大气压，温度为2500～3000K，会受到大负荷和高温影响。因此，发动机壳体制造为高压容器，在燃烧室侧会覆盖内衬和绝缘材料。

发动机壳体材料使用能耐燃烧气体压力和温度的比强度（材料强度与材料重量之比）较大且刚性较高的材料。以高强度合金钢为主使用，为了减轻重量，还使用钛合金、铝合金或复合材料。

图13-42 固体推进剂火箭发动机的结构

与传统的金属材料相比，复合材质发动机壳体不仅重量轻，并且比强度大，耐腐蚀性良好。形状是与金属材质发动机壳体相似是轴对称圆柱形，20世纪60年代使用玻璃纤维材料，70年代使用芳纶纤维材料，80年代后开始使用高强度碳纤维材料。

内衬是为发动机壳体绝热，在药柱与绝缘材料之间嵌入的类橡胶薄层材料。内衬的作用是当火焰先锋到达发动机壳体时，抑制药柱的燃烧，并增加绝缘材料与药柱之间的黏合性。内衬材料通常使用与药柱黏合剂相同的黏合剂。

绝缘材料设置在推进剂药柱与发动机壳体之间。其作用是，在推进剂燃烧时，保护发动机壳体不被高温高压的燃烧气体腐蚀或烧蚀损坏，类似于内衬的作用，以橡胶材质为主使用，材料有丁腈橡胶（NBR）、丁苯橡胶（SBR）、硅橡胶等。为了增加耐热性，还使用二氧化硅、草酸钙、硫酸铵、凯夫拉（Kevlar）等材料。

2.药柱

固体推进剂安装在发动机上时，被称为药柱。药柱中央空腔被称为燃烧通道。通常药柱由在推进剂铝粉和高氯酸铵中添加类橡胶粘合剂和其他添加剂构成。

推进剂药柱的制造根据推进剂类型、发动机类型和大小等，具有很多种方式。其中，具有代表性的有，把推进剂通过模具加压压伸成型的方法，以及加入模具内浇铸的方法。双基推进剂的制造有两种方法：压伸成型和浇铸，而复合推进剂的制造仅使用浇铸的方法。

3.喷管

喷管是把燃烧室中推进剂燃烧产生的高温、高压排气向外喷出，通过其反作用力获得推力的装置，为了获得喷气的超音速，采用收敛-扩散型喷管。喷管的设计类似于液体推进剂火箭发动机喷管的设计，设计时以最小化流动损失为条件。

喷管是直接接触高温燃烧气体、温度最高的部件，尤其在喷管喉部更为如此。喷管的设计受到部件的温度、腐蚀、烧蚀的限制。尤其是喷管喉部因腐蚀导致的性能降低等应引起注意。喷管材料使用合成石墨（碳环氧树脂）和碳复合材料。合成石墨（碳环氧树脂）耐热性较好，因此嵌在喷管喉部，但因强度较低，需要额外的载体支撑架进行固定。碳复合材料由热分解的碳基碳纤维材质构成的复合材料。碳纤维具有优秀的比强度，还有碳和硅酚醛塑料（Silica phenolics）的复合材料。

4.点火装置

固体推进剂火箭发动机的点火装置是提供推进剂点火所需能量的装置，由把外部能量转换为热能的引爆器（initiator）、防误点火安全装置、提供推进剂点火所需主能量的点火器构成。

引爆器是接收外部输入能量并产生热能的一种能量转换装置。点火器是把引爆器产生的火焰传递到推进剂药柱的全部表面上，以把温度提高到点火温度，并把燃烧室压力增加到能自运行温度的装置。点火安全装置是仅在满足点火条件时允许点火的装置，以防止弹道导弹（或运载火箭）在保管和运输途中误点火。

固体推进剂火箭发动机的结构分析

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