固体火箭发动机设计-长尾喷管成果

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：下面主要讲述亚音速尾管的设计问题。1.尾管的长度L尾管的长度L通常与导弹总体结构有关，由总体设计者给定，但要保证折算长度χ小于或等于尾管极限折算长度χmax，亦即2.尾管的直径D尾管的直径D越大，速度系数λ1越小、尾管内压强p越大。

下面主要讲述亚音速尾管的设计问题。

1.尾管的长度L

尾管的长度L通常与导弹总体结构有关，由总体设计者给定，但要保证折算长度χ小于或等于尾管极限折算长度χmax，亦即

2.尾管的直径D

尾管的直径D越大，速度系数λ1越小、尾管内压强p越大。由于直径D大、压强p大，管壁厚度也大，结构质量增大。因此，从结构质量考虑，尾管直径D应该尽量小。然而，尾管直径D减小，速度系数λ1增大，尾管受热严重和摩擦损失增大。直径D再减小，速度系数λ1再增大，a（λ1）减小，由式（4-40）可见，χmax也减小。由于χmax减小，D亦减小，Lmax大大地减小，有可能使给定的长度L＞Lmax，从而出现气流阻塞现象，这是不允许的。因此，必有一个最优的尾管直径存在。此最优直径，可根据质量比冲最大的要求，通过具体计算而求得。

3.喷管喉部直径 pagenumber_ebook=202,pagenumber_book=193

用有尾管和无尾管时燃烧室压强相等的条件，可以求出带亚音速尾管发动机的喷管喉部直径 pagenumber_ebook=202,pagenumber_book=193 。

设无尾管时喷喉直径为dt，有尾管时喷喉直径为 pagenumber_ebook=202,pagenumber_book=193 。由式（4-47）得

设C′≈C，则

将已知的q（λ2）与q（λ1）值代入式（4-59）便得到有亚音速尾管时喷管直径 pagenumber_ebook=202,pagenumber_book=193 值。对于亚音速尾管，由于q（λ2）＞q（λ1），故＞dt。

4.发动机的推力

若有亚音速尾管与无尾管时的燃烧室压强相等，则发动机推力为

由式（4-43）得(https://www.chuimin.cn)

将式（4-58）和式（4-61）代入式（4-60），得

若喷管出口截面Ae不变时，由于 pagenumber_ebook=202,pagenumber_book=193 ＞At，膨胀比Ae/＜Ae/At，且尾管有散热损失，可见＜CF，因此F′＜F。亦即有尾管时推力比无尾管时小。

若喷管出口截面能够增大时，可以适当增大出口直径，以保持有尾管时推力与无尾管时相同。

5.长尾喷管的结构设计

在长尾喷管的结构设计中，必须注意以下三个问题。

（1）尾管的热防护。

由于尾管内有高温高速燃气流动，尾管的受热是相当严重的，壁温很高。而且，在尾管四周通常安置有控制系统部件，对尾管壁温往往有严格要求。因此，尾管必须有良好的热防护。通常采用喷管喉衬用的耐烧蚀材料，例如高硅氧布/酚醛、碳纤维/酚醛等增强塑料作尾管的内衬。对于马赫数低的尾管（Ma≤0.2）也可采用燃烧室的内绝热层材料，如丁腈橡胶/石棉和丁苯橡胶/二氧化硅等消融材料作尾管内衬。

（2）燃气颗粒在喷管内的沉积。

在亚音速尾管采用含金属推进剂的发动机中，燃气有相当多的凝固相，如氧化铝液滴等，它们在尾管内高速流动，当与冷管壁（工作初期）相碰撞时，即能沉积在喷管的收敛段表面上，并引起喉部直径减小。随着工作时间延续，沉积速率减慢，并有被烧蚀或沉积物突然脱落的可能，从而会引起燃烧室压强的波动。合理地设计喷管收敛段形状或尾管带有适当的锥度，会减小这种沉积现象。

（3）尾管的偏摆。

如果长尾管轴线与发动机轴线产生偏斜或不同轴，则引起推力偏心。显然，尾管偏斜越严重，引起的推力偏心也越严重。因此，尾管与燃烧室的连接结构要合理，必须有连接定位面，尾管应有一定的刚度，同时在装配中必须保证与燃烧室轴线的偏差在设计要求范围之内。

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