05第五章 固体火箭发动机结构设计-2010年

多脉冲固体火箭发动机
1. 多脉冲原理，多脉冲固体火箭发动机的设计思想是通过在燃
烧室内设置多个燃烧室或者燃烧孔，使得推进剂在燃烧过程中产生
多个脉冲。

这种设计可以改变推进剂的燃烧速度和燃烧时间，从而
实现对火箭发动机推力和工作时间的控制。

2. 优点：多脉冲固体火箭发动机相比传统的单脉冲固体火箭发
动机具有以下优点：
推力调节能力强，通过控制不同燃烧室或燃烧孔的燃烧程度
和时间，可以实现对推力的精确调节，满足不同任务的需求。

提高火箭的适应性，多脉冲发动机可以适应不同的任务需求，如改变轨道高度、轨道倾角等，提高了火箭的灵活性和适应性。

减少结构负荷，多脉冲发动机可以减少火箭在发射过程中的
结构负荷，提高火箭的可靠性和安全性。

3. 应用领域，多脉冲固体火箭发动机主要应用于一些特殊任务，如轨道交会、星际探测等。

由于其推力调节能力强，可以精确控制
火箭的运行轨迹和速度，因此在这些任务中能够发挥重要作用。

4. 技术挑战，多脉冲固体火箭发动机的设计和制造相对复杂，需要解决多个燃烧室或燃烧孔之间的协调问题，确保各个脉冲的产生和传播能够协调一致。

此外，多脉冲发动机还需要解决燃烧过程中的热管理问题，以避免过高的温度对发动机产生不利影响。

总结起来，多脉冲固体火箭发动机是一种通过控制燃烧室或燃烧孔来产生多个脉冲的火箭发动机。

它具有推力调节能力强、适应性高等优点，主要应用于一些特殊任务。

然而，该技术还存在着一些挑战，需要解决相关的设计和制造问题。

一种固体火箭发动机的设计优化与参数分析摘要：本文论述了固体火箭发动机设计优化和参数分析。

首先，对固体火箭发动机设计进行了介绍，并就设计优化和参数分析进行了详细阐述。

其次，介绍了用于优化固体火箭发动机设计的一些有效方法，并基于实际工程研究分析了它们的可行性。

最后，提出了将这些技术应用于固体火箭发动机设计的可能性和未来的发展方向。

关键词：固体火箭发动机、设计优化、参数分析、有效方法正文：1.简介：固体火箭发动机是一种可利用固态成分发动机，其重要特点在于使用固体材料以及稳定的工作状态进行燃烧。

由于它具有可控的压力状态、可调的燃烧速率以及较长的燃烧时间，因此它已被广泛应用于航天[1]。

但是，该类发动机的设计优化和参数分析一直是一个复杂的问题，因此有必要进一步研究。

2.设计优化和参数分析：考虑到固体火箭发动机的优化设计，可以选择不同的构型参数进行优化，如推进剂种类和表面结构等。

具体而言，可以采用基于多目标决策的优化方法来对器件进行优化，以满足多个推进系统参数，并使发动机具有最优性能。

此外，可以通过计算流体力学模拟来分析其参数，如泄放压力和燃气流量等，为设计优化提供科学的依据。

3.有效方法：为了尽可能地利用固体火箭发动机的最大潜力，可以采用一些有效方法来优化设计。

例如，采用多目标遗传算法，可以有效地解决多目标决策问题；采用模糊微分进化算法可以优化表面结构，以提高发动机的性能；采用解耦分子动力学方法可以评估推进剂分子结构之间的相互作用，以确定最佳燃烧情况。

4.结论：从上述研究可以得出结论，固体火箭发动机的设计优化和参数分析必须采用先进的方法，以达到最优化的设计效果。

考虑到未来的发展，有必要继续开发更加实用的有效方法，以提高固体火箭发动机的性能，并开发新型火箭发动机。

应用固体火箭发动机的主要方面在于航天飞行，它是迄今为止应用最广泛的固体火箭发动机。

它在技术上的应用主要分两大类：一是固体火箭发动机的安全性，二是性能优化。

固体火箭发动机潜入和非潜入喷管①内流场模拟及对比魏 超 ,侯 晓 ,李岩芳(中国航天科技集团公司四院 ,西安 710025)摘要 :利用 FLU E N T 流场计算软件 ,对采用潜入和非潜入喷管 的全尺寸固体发动机 ,采用二维轴对称模型和准定常方法进行 了内流场模拟计算和对比分析 。

结果表明 ,喷管潜入结构可有 效地降低发动机后封头壁面附近的燃气速度 ,从而比非潜入发动机有更好的热防护环境 ; 两种发动机在燃烧室内压强 、速度 和温度分布大致相同 ,非潜入喷管发动机在喷管出口轴线处燃 气速度比潜入喷管发动机的大 ,而温度和压强较低 。

关键词 :固体推进剂火箭发动机 ; 内流场模拟 ; 潜入喷管 ; 非潜 入喷管也带来一些问题 。

喷管的前部分潜入发动机燃烧室后 部 ,导致喷管和与其相配合的发动机对接部分 ,与非潜入式喷管和发动机的相应部分结构产生差异 [ 1 , 2 ], 使 发动机的内流场也发生变化 ,由此必然给发动机的性 能和安全性等带来影响 。

近年来 ,国内外关于固体发 动机燃烧室 2喷管一体化流场模拟的文献较多 : 如文献 [ 3 ]采用 贴 体 坐 标 系 统 生 成 计 算 网 格 , 对 气 相 采 用 M a cCo r m a ck 显式差分格式 ,对颗粒相采用特征线法 , 应用时间相关法对燃烧室喷管内两相流场进行了一体 化数值模拟 ; 文 献 [ 4 ]采 用 S I M P L E 算 法 的 可 压 缩 形 式 ,在非交错的配置网格基础上用有限体积法离散 N 2S 方程 ,采用强隐式算法 ( S I P ) 求解线性代数方程组 ,采用边界标志法实现复杂几何形状下的多区域统一计 算 ,采用喷管外型逼近法保障计算稳定性对固体火箭 发动机燃烧室喷管内的全速度统一流场进行求解 ; 文 献 [ 5 ]利用 FLU E N T 计算流体软件的分离解算器 , 采用多种 湍 流 模 型 (标 准 κ2ε模 型 、R N G κ2ε模 型 和R S M 雷诺应力模型 ) 对燃烧室 2喷管一体化流场 进 行了二维轴对称准定常模拟 。

火箭发动机的设计与优化火箭发动机是航空航天领域中最重要的部件之一，是实现载人、货物进入太空的重要保障。

随着中国航天事业的快速发展，火箭发动机的的设计和优化越来越受到人们的关注。

本文将探讨火箭发动机的设计和优化的相关问题。

一、设计原则在火箭发动机的设计中，最基本的原则是要确保发动机的安全性和可靠性。

为了达到这一目的，设计人员需要考虑以下几个方面：1. 材料选择。

火箭发动机所用的材料需要具有高强度、耐热、抗腐蚀等特性，以保证在高温、高压、高速等极端环境下能够正常工作。

2. 结构设计。

火箭发动机的结构需要符合力学原理，能够承受高温、高压等极端环境下的巨大作用力，并且具有一定的自适应能力。

3. 工艺设计。

火箭发动机的制造需要控制在高精度、高质量的范围内，保证每个部件的尺寸、材料、工艺等方面都符合要求，杜绝生产中的任何缺陷。

二、火箭发动机的优化在设计完成之后，为了提高发动机的性能和效率，需要对其进行优化。

具体的优化方法如下：1. 提高燃烧效率。

优化燃烧效率可以提高发动机的推力和燃油利用率，从而减少发动机的质量，降低发射成本。

燃烧效率的提高主要包括优化燃料和氧化剂的配比、燃料喷射方式的改进等。

2. 减小发动机重量。

减小发动机重量可以提高发射载重量和降低发射成本。

减小发动机重量的方法包括选用更轻的材料、减少部件数量，优化结构设计等。

3. 提高发动机的可调节性。

提高发动机的可调节性可以使其更容易适应不同的任务需求。

可调节性的提高主要包括优化喷嘴形状、改善燃烧过程等。

4. 提高发动机的安全性和可靠性。

提高发动机的安全性和可靠性可以保证其在发射过程中不出现故障或事故。

提高安全性和可靠性的主要方法包括加强测试验证、应用新技术等。

三、常见火箭发动机类型根据不同的燃料类型和燃烧过程，火箭发动机可以分为以下几种类型：1. 液体火箭发动机。

液体火箭发动机使用液体燃料和液体氧化剂进行燃烧。

由于液体燃料具有高度可控性，这种类型的发动机可以实现很高的燃烧效率和可调节性，但其复杂的供油系统和易燃易爆的液态燃料也带来了较大的安全隐患。

固体火箭发动机的基本结构：点火装置、燃烧室、装药、喷嘴构成。

固体火箭发动机的工作与空气无关常见的推进剂有：1.双基推进剂（双基药）2.复合推进剂（复合药）3.复合改进双基推进剂（改进双基药）直接装填！形式：自由装填：药柱直接放在燃料室贴壁浇筑：把燃料直接和燃烧室粘贴在一起（液体发动机发射前现场加注推进剂）固体火箭一旦制造完成即处于待发状态经过压身或浇注后形成的一定结构形式的装药我们叫他装药或者药柱药柱的燃烧面积在燃烧过程中随时间变化必须满足一定的规律完成特定任务所需要的。

装药面积的燃烧规律决定了发动机压强和推力面积的发展规律。

为了满足上述规律需要对装药的表面用阻燃层进行包裹，来控制燃烧面积变化规律。

药柱可以是：当根、多根，也可事实圆孔药，心孔药燃烧室是一个高压容器！装药燃烧的工作室。

燃烧时要求要求：容积、对高温（2000-3000K）高压气体(十几到几十兆帕)的承载能力与高温燃气直接接触的壳体表面需要采用适当的隔热措施高温高压燃气的出口作用：1.控制燃气流出量保持燃烧室内足够压强。

2.使燃气加速膨胀，形成超声速气流，产生推动火箭前进的反作用推力。

部件作用：进行能量转化工艺特点：形状：先收拢后扩张的拉瓦尔喷灌，由收敛段、头部、扩张段、中小型火箭，锥形喷管（节省成本和时间）工作时间长、推力大、质量流速大采用高速推进剂的大型火箭采用特制喷管（收敛段和和直线段的母线可能不是直线可能是抛物线双圆弧）仔细设计型面，提高效率作用：使燃气的流动能够从亚声速加速到超声速流喉部环境十分恶略，烧蚀沉积现象影响性能（改变喉部尺寸改变性能）。

其他内表面采用其他相应的防护措施。

短时间不用采用喉衬！点火装置！！电发火管+点火药装在盒子里大型发动机（直径比较粗长度比较长）用小发动机点燃，点火发动机可靠性最低的部件要求：战术火箭（-40度-55度都能点燃）点火药量选择很重要充气后再打开喷嘴能量转化过程1:推进剂部分化学能-燃烧产物热能能量转化过程2. 燃烧产物热能-射流的动能（喷管完成）能量转化过程3. 射流动能-（直接反作用力）-飞行器动能固体燃料发动机本质是：能量转换装置！固体火箭发动机的工作过程是复杂的，装药燃烧与燃气流动的复杂过程相互作用的过程！！燃烧与流动是固体火箭发动机所要解决的基本问题那些流动现象及其作用：燃烧产物的流动是燃烧的直接结果没有流动会造成发动机爆炸！！！适当的流动状态是燃烧得以稳定燃烧的条件。

双室双推力固体火箭发动机
双室双推力固体火箭发动机（Dual Chamber Dual Thrust Solid Rocket Motor）是一种先进的固体火箭推进技术，它在一个发动机壳体内设计有两个燃烧室。

每个燃烧室各自配备有独立的推进剂和喷管系统，可以根据任务需求灵活调整推力。

在工作过程中，首先启动第一燃烧室提供初始推力将火箭送入预定轨道或达到一定速度，当第一阶段任务完成后，通过控制机构点燃第二燃烧室，提供额外的推力以满足后续飞行阶段的需求，如变轨、加速或者姿态调整等。

这种设计的优点包括：
1)灵活性：可以按照不同的时间序列和推力需求进行推力分配，实现多级火箭
的功能，优化整个飞行过程中的能量管理和效率。

2)结构紧凑：相比于传统的多级火箭，双室双推力固体火箭发动机减少了结构
复杂性和重量，提高了整体集成度。

3)控制方便：由于推力可调，因此对于飞行器的姿态控制和轨道修正具有更高
的精度和响应速度。

这种发动机在航天发射、导弹技术和空间探索等领域都有潜在的应用价值。

固体火箭发动机原理
固体火箭发动机是一种利用固体燃料产生推力的发动机，它具有结构简单、可
靠性高、储存方便等优点，因此在航天领域得到广泛应用。

固体火箭发动机的工作原理主要包括燃烧原理、推力调控原理和结构原理。

首先，固体火箭发动机的燃烧原理是指固体燃料在燃烧过程中释放出大量热能，将燃烧产物高速喷出以产生推力。

固体火箭发动机的燃料通常由氧化剂和还原剂组成，当点火后，两者发生剧烈的化学反应，产生大量高温气体，气体在高压下被喷射出来，形成推力。

其次，固体火箭发动机的推力调控原理是指通过控制燃烧速率和喷口的结构来
实现推力的调控。

固体火箭发动机的燃烧速率可以通过改变燃烧室内的燃烧面积和燃料的成分来实现，而喷口的结构则可以通过设计喷口形状和大小来实现。

通过这些方式，可以实现对固体火箭发动机推力的精确调控，满足不同飞行阶段的需求。

最后，固体火箭发动机的结构原理是指固体火箭发动机的内部结构设计。

固体
火箭发动机通常由燃烧室、喷嘴、燃料和氧化剂等部分组成。

燃烧室是燃料和氧化剂进行燃烧的地方，喷嘴则是将燃烧产物高速喷出的部分。

燃烧室和喷嘴的设计对固体火箭发动机的性能有着重要的影响，需要考虑燃烧效率、推力效率和结构强度等因素。

总的来说，固体火箭发动机通过燃烧原理、推力调控原理和结构原理的相互作用，实现了可靠的推力输出。

在航天领域，固体火箭发动机在一次性使用、快速反应等方面具有独特的优势，因此在航天器的发射、变轨和返回等任务中得到了广泛的应用。

随着航天技术的不断发展，固体火箭发动机的性能和可靠性将会得到进一步提升，为人类探索宇宙提供更加可靠的动力支持。

一种智能固体火箭发动机复合材料壳体的制作方法智能固体火箭发动机是一种具有高可靠性和高性能的发动机。

它由复合材料壳体、内胆、推进剂、点火装置、推力控制系统等组成。

本文将重点介绍一种智能固体火箭发动机复合材料壳体的制作方法。

第一步：设计壳体结构在制作智能固体火箭发动机的壳体之前，首先需要进行结构设计。

设计要考虑到壳体的强度、重量和材料选择等因素。

设计师需要使用计算机辅助设计（CAD）软件进行模拟和分析，以确保壳体能够承受高温、高压和高速流动环境下的工作。

第二步：选择合适的材料复合材料在航天领域具有广泛应用，因为它具有高强度、低密度、抗腐蚀和耐高温等优点。

对于智能固体火箭发动机的壳体制作，常用的复合材料包括碳纤维增强复合材料（CFRP）和玻璃纤维增强复合材料（GFRP）。

根据设计要求和性能需求，选择合适的复合材料进行制作。

第三步：制作壳体制作壳体的主要步骤包括模具制作、预制件制作、层叠和硬化等。

1.模具制作：首先需要制作出适应壳体外形的模具。

模具可以采用金属或者树脂材料制作，具体选择取决于设计要求和制作工艺。

2.预制件制作：根据模具的形状，制作合适尺寸的预制件。

预制件可以采用预浸料或预浸织物的方式，将纤维和基体材料预先组合形成。

3.层叠：将预制件一层一层叠放在模具上，根据设计要求确保纤维的方向和层数等参数。

在层叠过程中，需要注意防止气泡和纤维错位等问题。

4.硬化：将层叠好的预制件放入烤箱或采用热压工艺进行硬化。

硬化过程中，树脂基体会固化，预制件与壳体结合形成一个整体。

第四步：加工和检测制作完壳体后，还需要进行加工和检测，以确保壳体的质量和性能。

1.加工：根据设计要求和壳体成品的尺寸，采用机械加工或手工修整等方式对壳体进行去毛边、打磨和修整等处理，使得壳体表面平整光滑。

2.检测：采用非破坏性检测方法，如超声波检测、X射线检测和红外热像检测等，对壳体进行质量检测。

这些检测方法可以发现壳体中的缺陷并排除，确保壳体的完整性和可靠性。

固体火箭发动机原理第一章绪论1.1绪论火箭发动机：自身携带燃料和氧化剂的喷气发动机（推进剂燃烧不需要依靠空气中的氧气）吸气发动机：自身只携带燃料，燃烧所需要的氧化剂需要吸收空气中的氧气，吸气发动机只能在大气层中工作。

固体火箭发动机（solid propellant rocket engine）:使用固体推进剂，燃料和氧化剂预先均匀混合液体火箭发动机（liquid propellant rocket engine）:使用液体推进剂（由液态燃料和液态氧化剂组成），常见的有单组元推进剂——肼，以及双组元推进剂——液氢和液氧1.2 固体火箭发动机的基本结构和特点固体火箭发动机的基本结构：固体推进剂装药、燃烧室、喷管、点火装置。

固体火箭发动机的类型：固体、液体、固液混合火箭发动机固体推进剂（是固体火箭发动机的能源和工质）种类：双基、复合、复合改双基推进剂装药方式：自由装填（通常需要挡药板使药柱固定）、贴壁浇注包覆层：用阻燃材料对装药的某些部位进行包覆，以控制燃烧面积变化规律燃烧室（是固体火箭发动机的主体，装药燃烧的工作室）特点：有一定的容积，且对高温高压气体具有承载能力材料：合金钢、铝合金、或玻璃纤维缠绕加树脂成型的玻璃钢结构形状：长圆筒型热防护法：在壳体内表面粘贴绝热层或采用喷涂法喷管（是火箭发动机的能量转换部件）拉瓦尔喷管：由收敛段、喉部、扩张段组成中小型火箭多采用锥形拉瓦尔喷管（收敛段和扩张段均为锥形）大型火箭一般使用特型拉瓦尔喷管（扩张段为双圆弧、抛物线等）喷管基本功能：1.通过控制喷管喉部面积大小以控制排出的燃气质量流率，以控制燃烧室内燃气压强2.利用先收敛后扩张的喷管结构使燃气由亚声速加速到超声速喉部材料：（喷喉处工作环境恶劣，常发生烧蚀或沉积现象），需采用耐高温耐冲刷的材料，石墨、钨渗铜等点火装置（提供足够的热量和建立一定的点火压强，使装药的全部燃烧表面瞬时点燃，尽早进入稳态燃烧）组成：电发火管+点火剂（烟火剂或黑火药）或点火发动机（尺寸较大的装药）固体火箭发动机的特点：优点：1.结构简单（固体火箭发动机最主要的优点）。