典型二维装药特点及应用|固体火箭设计

2023-08-02 理论教育版权反馈

【摘要】：为了保证有适当的装填系数，应当足够大。=0.3～0.5的星形药柱，是一种既能满足恒面性燃烧要求，又具有相当高的装填系数的典型药柱。由于星形药柱具有上述特点，它已被广泛地应用于长时间工作、大推力的发动机上。这种药型的装填系数与肉厚系数ε和轮臂高度h、轮臂数n等有关。当肉厚系数＜0.1时，应采用多孔药柱或多根管形药柱。因此，＜0.1时，采用多根管形药柱更为适宜。

1.管形装药

管形装药是内外侧面都燃烧的药柱，其形状由长度L、外径D和内径d来定义，总燃层厚度是药柱厚度的一半，即

管形药柱的装填系数与药柱根数n有关，多根药柱的装填系数低于单根药柱。单根药柱的装填系数η如下：

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式中　Di——燃烧室内径；

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由式（2-15）可知，装填系数ηV与肉厚系数 pagenumber_ebook=74,pagenumber_book=65 有关，越大则ηV越大。为了保证有适当的装填系数，应当足够大。通常单根管形装药适用于=0.3～0.5，此时，ηV=0.75～0.85；多根管形装药则适用于＜0.1，此时ηV=0.60～0.70。

管形药柱的优点是：

（1）具有固有的恒面性；

（2）形状简单，因而药模也简单、制造容易；

（3）形状简单，无应力集中现象，药柱具有较高的强度；

（4）无剩药。

其缺点是：

（1）燃烧室壁与燃气直接接触，需要绝热涂层保护，不允许长时间工作；

（2）药柱需要支承装置，而且支承装置受热气流作用，其工作状态十分恶劣。

由于管形药柱具有上述特点，它已广泛用于工作时间不长、推力大的发动机。它是一种最早期的，也是应用最广泛的药型。

2.套管形药柱

套管形是由增面性的内孔药柱和减面性的外燃药柱结合而成的（见图2.4（f））。这种药型由中心药柱的外径D1和外环药柱的内径D2来定义。

由式（2-5）可知，这种药型是恒面性的。若忽略支承件体积时，其装填系数为

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由式（2-16）可知，其装填系数亦与肉厚系数有关。为了获得适当的装填系数，这种药型的肉厚系数 pagenumber_ebook=75,pagenumber_book=66 应该在0.3～0.5范围内，此时ηV=0.60～0.85。

这种药型的优点是：

（1）具有固有的恒面性；

（2）无剩药；

（3）可与燃烧室壳体粘结，对室壁有绝热作用。

主要缺点是：中心药柱需要特殊的支承装置，而支承装置的工作条件恶劣，因而限制了它的使用。

3.星形药柱

星形药柱由药柱外径D、肉厚e1、星角数n、星角θ、角度系数ε、过渡圆弧半径r以及星角圆弧半径r1等七个独立变量来定义（见图2.6）。

药柱可以依靠改变星角θ的大小来获得减面性、恒面性或增面性。还可依靠改变肉厚系数 pagenumber_ebook=75,pagenumber_book=66 和星孔的几何参量来改变它的装填系数。肉厚系数低，则装填系数也低。但过大则会导致燃烧后期（星边消失后）增面性很大，同时药柱强度也会出现问题。因此，这种药型适用于肉厚系数在0.3～0.6内，可获得装填系数ηV在0.75～0.85内。

pagenumber_ebook=75,pagenumber_book=66 =0.3～0.5的星形药柱，是一种既能满足恒面性燃烧要求，又具有相当高的装填系数的典型药柱。=0.3～0.4时，它有较好的恒面性；当＞0.4时，星形药柱的增面性随增大而增强。当=0.5～0.6，而L/D＜4时，由于端部的影响，也能够获得满意的恒面性；当L/D较大时，可以采用端部开槽的措施来获得近似的恒面性，同时端部开槽也能改进药柱强度。

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图2.6　星形装药结构参数

这种药型的优点是：

（1）可以利用改变星孔的几何参量而获得恒面性、减面性或增面性；

（2）高温燃气不直接与燃烧室壁接触，药柱本身起着绝热的作用，使室壁免于受热，工作时间可以很长；

（3）推进剂可以直接浇注在燃烧室内，解决了大尺寸药柱的成型和药柱支承问题，同时药柱对壳体的刚度有增强作用。

其缺点是：

（1）药型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。

由于星形药柱具有上述特点，它已被广泛地应用于长时间工作、大推力的发动机上。据统计，现役的固体火箭发动机有40%采用此种药型。

4.车轮形药柱

这种药型由外径D、肉厚e1、轮臂数n、轮臂角θ、角度系数ε、过渡圆弧半径r、轮臂角圆弧半径r1、轮臂圆弧半径r2以及轮臂高度h来定义（见图2.7）。

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图2.7　车轮形装药结构参数

这种药型可以借助于改变θ角而获得恒面性、减面性或增面性（见图2.8）。

这种药型的装填系数与肉厚系数ε和轮臂高度h、轮臂数n等有关。由于有轮臂的存在，肉厚系数通常较小， pagenumber_ebook=76,pagenumber_book=67 =0.2～0.3，装填系数较低，ηV=0.65～0.70。

这种形状的药柱除具有星形药柱的特点外，还有如下特点：

（1）肉厚系数低；

（2）装填系数低；

（3）形状更为复杂；

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图2.8　车轮形装药内弹道性能

（4）改变肉厚和轮臂厚度可以得到多推力方案；

（5）有处于悬臂状态且质量又相当大的轮臂。

在受冲击载荷和振动载荷时这种薄肉厚药柱可能出现更严重的药柱强度问题。所以，这种药型在经常受到冲击和振动载荷作用的机载导弹上是不宜采用的。通常它用在需要推力大、工作时间短的助推器上和点火发动机上。

5.树枝形装药

这种药型是由车轮形发展而成的（有时称为修正的车轮形药柱），它有长短交叉的轮臂，其获得恒面性的条件与车轮形药柱相同。

此药型的特点与车轮形药柱相同，它适用于需要肉厚系数更小（ pagenumber_ebook=77,pagenumber_book=68 =0.10～0.20）的发动机上。由于它具有长短交错的轮臂，使它的装填系数比同一肉厚系数的车轮形药柱高，可以获得装填系数ηV=0.60～0.65。

6.多孔药柱

多孔药柱由外径D、初始内孔周边长和孔数n来定义（见图2.4（b））。多孔药柱圆周边长为s=s0+2π（n-1）e，它是一种增面性药柱，孔数n越多，增面性越强。当肉厚系数 pagenumber_ebook=77,pagenumber_book=68 ＜0.1时，应采用多孔药柱或多根管形药柱。若采用多孔药柱时，可以获得装填系数ηV=0.50～0.55。

多孔药柱通常有剩药，为了减小剩药可以改用六角形、槽形孔。从工艺性上看，多孔药柱不及多根管形药柱简单；从性能上看，它也不及多根管形药柱。其唯一的优点是药柱有绝热作用，可采用直接浇注工艺。然而，在小肉厚的情况下，往往无此必要。因此， pagenumber_ebook=77,pagenumber_book=68 ＜0.1时，采用多根管形药柱更为适宜。

典型二维装药特点及应用|固体火箭设计

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