固体火箭发动机.ppt

导弹发动机,长沙航空职业技术学院航空装备工程系检测教研室,主讲教师 徐湘章,多媒体教学课件,固体火箭发动机,固体火箭发动机,导弹发动机多媒体教学课件,第一节 概述,动力装置,起飞加速发动机（助推器）续航发动机（主发动机）,连接形式,串联式并联式,导弹发动机多媒体教学课件,第一节 概述,导弹发动机多媒体教学课件,发动机特点,助推器短时间获得大推力和总冲良好的安全、可靠性具有环形的特点,主发动机推力小工作时间长,第二节 推进剂选择,对推进剂的性能要求比冲高，密度大，燃烧产物具有良好的热力性质；具有良好的燃烧性能；具有良好的力学性能；具有良好的物理、化学安定性；经济性好。,导弹发动机多媒体教学课件,第二节 推进剂选择,推进剂种类双基推进剂优点：工艺方法比较成熟；原材料来源较广，成本低；药柱质量稳定，重现性好；贮存寿命长，对湿气不敏感；发射时无烟。,导弹发动机多媒体教学课件,第二节 推进剂选择,缺点：比冲低；密度小；高低温力学性能差。不适于战略武器使用，仅适用于枪炮和战术火箭武器。,导弹发动机多媒体教学课件,第二节 推进剂选择,复合推进剂聚硫橡胶推进剂 以部分聚合的液态橡胶为粘合剂，以化学交联为基础的现代复合固体推进剂。优点：具有良好的力学性能与粘结性能；制造工艺比较简单，加工性能良好，工艺比较成熟。缺点：比冲比较低，固化温度和玻璃化温度比较高。,导弹发动机多媒体教学课件,第二节 推进剂选择,聚丁二烯推进剂 聚丁二烯推进剂的粘合剂是丁二烯的聚合物或丁二烯同其他材料的共聚物。特点：比冲比较高，密度也高，燃速的调节范围宽。,导弹发动机多媒体教学课件,第二节 推进剂选择,聚氨酯推进剂 主要是以聚氨酯弹性体为基体，在其中分散有一定力度的无机氧化剂盐、铝粉和其它附加成分的一种连续的复合高分子橡胶制品。特点：比冲高，低温力学性能良好，加工性能好。在战术导弹中，不但可以作为主发动机装药，也可用作助推器装药。,导弹发动机多媒体教学课件,第二节 推进剂选择,推进剂选择应考虑的问题能量性能 双基推进剂的比重和密度较低，火焰温度也较低，当对密度比冲要求不太高，且要求较低的燃温时，双基推进剂仍可使用，因为火焰温度较高时，发动机需要附加绝热措施；当要求推进剂具有良好的高温热安定性和低温物理性能时，则不能选择双基推进剂，应选择一种含铝的复合固体推进剂。在推进剂中加入适量的铝粉，可提高密度比冲。推进剂的铝粉含量增加，热量增加，但两相流损失也增加，存在一个最佳铝粉含量。对于大尺寸固体火箭发动机，最佳铝粉含量在17%20%之间，可使比冲增加11%左右，而小型固体火箭发动机的最佳铝粉含量在14%17%之间。,导弹发动机多媒体教学课件,第二节 推进剂选择,内弹道性能和燃烧性能 内弹道性能与控制燃速和发动机质量速率的参数有关。在导弹所有预期的发射条件下，在要求的极限以内，所选择的推进剂类型应具有推力曲线合乎要求的内弹道性能。高温固体推进剂的高温排气，在高的火焰温度下会产生电离，这种电离的热排出物会衰减制导、跟踪或遥测射频信号，引起雷达波衰减的主要原因是碱金属（主要是钠和钾）在不平衡的脉动燃烧过程中发生热电离，当空域较低时，衰减更为明显，这种衰减随着火焰温度的升高、喷管喉部的减小和膨胀比的减小而增加；推进剂中铝粉燃烧时使火焰温度增加，并降低推进剂的氧化剂和燃烧剂之比，助长了脉动燃烧，因而使雷达波衰减增加。,导弹发动机多媒体教学课件,第二节 推进剂选择,减少雷达波衰减采取的措施 增加推进剂的氧化剂和燃烧剂之比，也可以通过减少金属含量来提高该比值，但这样会降低比冲；向推进剂中加入电子清除剂附加物，即在配方中加入电子捕捉剂；调整配方，使燃烧室和喷管出口温度降低；减少推进剂和包覆层中钠和钾的含量。,导弹发动机多媒体教学课件,第二节 推进剂选择,力学性能 根据导弹的战术技术要求，在使用温度范围内所选固体推进剂的伸长率和抗拉强度，应能充分缓解药柱的内应力，而不损害装药结构的完整性，或者不致引起不允许出现的内弹道变化。,导弹发动机多媒体教学课件,第二节 推进剂选择,安定性 在所要求的使用期内，足以经受得住所预计的热和化学环境影响，而无不合格的降解现象。若装药必须在一个宽的温度范围贮存，应当考虑选用复合固体推进剂，与复合推进剂相比，双基推进剂在高温时安定性一般较差，但复合推进剂也可能由于老化而出现较长的点火延迟期。氟碳推进剂和聚氯乙烯推进剂高温安定性特别好。,导弹发动机多媒体教学课件,第二节 推进剂选择,危险性与毒性 选用的推进剂危险等级应符合使用要求，有毒排气产物不应超出国家有关标准。,导弹发动机多媒体教学课件,第二节 推进剂选择,经济性 所选取的推进剂应当价格低廉,其组分容易获得,一般不采用特殊的或不经济的质量控制方法、加工技术和贮存条件。,导弹发动机多媒体教学课件,第二节 推进剂选择,发动机喷气尾流烟雾问题 导弹除了自身要减少雷达波辐射、噪声辐射及红外辐射外，还要减少烟雾排放。烟雾实质是悬浮于气体或空气中的凝聚态（液态或固态）物质。推进剂燃烧后烟雾的来源是固体推进剂中金属铝粉的燃烧产物Al2O3,以及作为推进剂的燃烧催化剂和稳定剂的金属(铅、铜、铁、锡、铬等)化合物的燃烧产物金属氧化物，以及推进剂中有机组分不完全燃烧而产生的炭微粒，以上成为一次（初始）烟，另外，高氯酸盐氧化剂燃烧生成的氯化氢，在低温和一定湿度条件下生成白色的烟，称为二次烟。,导弹发动机多媒体教学课件,第三节 装药,装药的主要任务是在燃烧室外形尺寸及质量限定的条件下，进行药型、包覆及药柱的结构完整性分析，使推进剂按预期的规律燃烧，以满足内弹道性能的要求。,导弹发动机多媒体教学课件,第三节 装药,助推器装药 助推器具有推力大，工作时间短的特点，为满足这些要求，一般采用侧燃装药。两种药型方案：一是采用薄肉厚、大燃面的药型。如树枝型和车轮型装药。这种药型要求用高能量、中等燃速的推进剂，如压伸或浇铸双基类自由装填药柱；二是采用大肉厚药型、贴壁浇铸装药。具有装填系数较大的特点，但对推进剂的燃速提出了较高的要求。装药裂纹及包覆层的脱粘问题是应着重解决的技术问题。,导弹发动机多媒体教学课件,第三节 装药,导弹发动机多媒体教学课件,助推器药型,第三节 装药,主发动机装药 为满足小推力、长时间工作的要求，主发动机一般采用端面燃烧的实心药柱。推进剂的燃速较低（6/s左右）,由于工作时间长,发动机的热防护问题很突出,一般采用能量较低的推进剂,如燃温较低的无烟或少烟双基药,燃烧室设计压力也较低。,导弹发动机多媒体教学课件,第三节 装药,药型 固体火箭发动机的内弹道性能：总冲量、推力大小及其变化规律和后效冲量是直接由装药的燃面大小及其变化规律决定的，发动机的装填系数及药柱的强度也与药型有关。,导弹发动机多媒体教学课件,第三节 装药,氮气,导弹发动机多媒体教学课件,药型选择 药型分类：按燃面的变化规律可分为:等面、减面和增面药柱；按燃烧表面所处的位置分：端燃药柱、侧燃药柱、端侧燃药柱；按燃烧方向的维数分：有一维、二维、三维药柱。,第三节 装药,药型选取要求 燃面的变化规律应满足推力方案的要求；具有较高的容积装填系数和小的余药量；具有良好的结构完整性。,导弹发动机多媒体教学课件,第三节 装药,药柱的包覆 药柱的包覆是装药的关键,其主要作用是限燃和绝热，使推进剂按所需的规律燃烧，把外界温度对推进剂的影响限制在允许的范围内，保证推进剂燃烧的平稳性。对于贴壁浇药，包覆层还可起到粘接剂的作用，缓冲壳体应变向推进剂传递，阻挡化学成分的迁移。,导弹发动机多媒体教学课件,第三节 装药,药柱的包覆和装填工艺与装药类型有关。如内孔侧燃装药,通常用离心或喷涂的方法进行包覆,而后浇药;而端燃药柱,一般采用自由脱粘或自由装填方案。,导弹发动机多媒体教学课件,第三节 装药,在自由装填药柱中，根据所采用包覆材料的差别，可分为液态包覆剂和固态包覆材料两大类。液态包覆剂可用手工涂覆、真空包覆、喷涂或挤压包覆等。复合推进剂及双基药均可采用这种包覆方法。固态包覆材料一般是将包覆层预制成带状或口袋形式。前者通常将药柱预制成所需的形状，而后将包覆带缠绕粘接在药柱外面，缠绕时应有预紧力，以提高粘接质量及抗脱粘性能；而后者是把口袋放在模具里进行浇药，由模具保证包覆药柱的外形尺寸。,导弹发动机多媒体教学课件,第三节 装药,自由装填药柱具有很多优点，但它需要解决药柱的支撑问题，药柱受力也不均匀。采用具有应力松弛效应的包覆方案，可克服上述缺点。这种包覆方案可把推进剂浇铸在燃烧室内。应力松弛结构的内层与推进剂粘接，主要起限燃作用；外层与壳体粘接，主要起绝热层作用；中间是应力松弛层，其应力松弛作用，并把内外层连接在一起。该方案具有装填系数大，药柱受力较均匀的优点。,导弹发动机多媒体教学课件,第三节 装药,材料选取良好的机械性能；与推进剂的粘结强度应大于推进剂本体强度；包覆材料必须与推进剂相容；耐烧蚀及绝热性能。,导弹发动机多媒体教学课件,第三节 装药,自由装填药柱的包覆应选取强度、模量大的推进剂，使包覆药柱在存放或运输的过程中，不因为自重而产生过大的变形；包覆药柱与燃烧室内腔之间的间隙应适当；采用预制包覆套时，包覆套的尺寸要适当，过大会产生皱折；过小药柱的尺寸达不到要求。一般包覆套应略小于包覆药柱的尺寸，浇药时把其撑开；药柱的支撑及尺寸的温度补偿。,导弹发动机多媒体教学课件,第三节 装药,装药的结构完整性 所谓装药结构完整性是指发动机装药结构在整个使用过程中，在规定的环境条件下，保持完好设计状态工作的能力。分析评定发动机装药结构完整性通常要经过三个步骤：载荷分析结构分析破坏分析,导弹发动机多媒体教学课件,第三节 装药,载荷分析温度载荷惯性载荷内部增压载荷载荷的联合作用,导弹发动机多媒体教学课件,第三节 装药,结构分析弹性分析粘弹分析,导弹发动机多媒体教学课件,第三节 装药,破坏分析破坏的各种形式 主要表现为药柱的破损及药柱与壳体之间粘接的破损。药柱破损又表现为开裂、过大的位移、塌陷以及在持续振动期间药柱升温、降解、疲劳开裂、自燃等。,导弹发动机多媒体教学课件,第三节 装药,破坏准则 最大位移准则：装药的过度变形会改变燃烧面积及燃气流通面积，从而影响内弹道，根据药柱变形对发动机内弹道的影响关系及内弹道允许偏差的限制，规定药柱的最大位移。最大应变（应力）准则：推进剂承受过大的应变（应力）时就会断裂而不能正常工作，应根据推进剂承受应变能力的实验数据规定药柱应变的限制值，到底是规定应力还是应变，因不同的问题而异。,导弹发动机多媒体教学课件,第三节 装药,积累损伤准则是根据最大应变（应力）准则，药柱只有在应变或应力超过某临界值时才会破坏，但实践证明，即使应力-应变从未超过准则所规定值，只有作用时间足够长，药柱还是产生破坏。这种破坏与物质结构的微观变化有关，与金属材料的疲劳损伤相似，即为积累损伤。因此，对于药柱的长期完整性问题，还应遵守积累损伤准则。积累损伤准则:推进剂在应力Si作用下,单位时间内新增加的损伤分数di与在此应力作用下材料发生破坏所需时间tfi成反比。即:di1/tfi(3)安全系数,导弹发动机多媒体教学课件,总结,概述,推进剂选择,装药,熟悉固体火箭发动机的特点,掌握推进剂的种类及应考虑的问题,掌握装药,作业1、推进剂选择应考虑哪些问题？2、药柱的包覆有何作用?如何对自由装填药柱进行包覆?,导弹发动机多媒体教学课件,Thank You!,导弹发动机多媒体教学课件,2013年1月28日,