固体发动机捆绑式加压成型装药工艺研究

第22卷第1期海军航空工程学院学报Vol.22No.12007年1月JOURNAL OF NAVAL AERONAUTICAL ENGINEERING INSTITUTE Jan.2007收稿日期：2006-06-02基金项目：总装“十五”预研课题（41328010507）作者简介：徐学文（1971-），男，博士生；邢耀国（1948-），男，教授，博导，博士.固体火箭发动机装药裂纹危险性研究综述徐学文1，邢耀国2，彭军1（1．海军航空工程学院新装备培训中心；2．海军航空工程学院飞行器工程系，山东烟台，264001）摘要：对裂纹危险性进行分析，阐述了国内外近几十年的研究，总结出了影响对固体火箭发动机装药裂纹扩展的主要因素和裂纹对流燃烧引起的推进剂破坏程度的表征方式；介绍了目前裂纹扩展过程研究的主要理论模型、数值仿真水平以及实验手段，并对它们的优缺点进行了评述。

关键词：固体火箭发动机；裂纹扩展；对流燃烧；数值仿真中图分类号：V 435文献标识码：A固体火箭发动机（solid rocket motor ，SRM ）是直接产生推力的喷气推进动力装置，它按照燃烧室内设计的压力—时间曲线工作，推动飞行器稳定可靠地飞行。

发动机燃烧室的压力主要决定于推进剂的燃烧表面积和设计的燃烧形态（bu rn back configuration ），如果燃烧的表面积或燃烧形态发生了改变，瞬态燃烧室压力和压力—时间曲线将偏离设计状态，发动机的推力发生改变，导致飞行器发射失败。

更为严重的是，当燃烧室压力远远高于发动机机匣的承载压力时，发动机就可能发生爆炸。

固体推进剂是在粘结剂基质中添加高能燃料颗粒制成的粘弹性物质，由于在固化冷却、运输、储存和勤务处理等过程中受外载、热应力以及老化等因素的影响，局部粘结剂可能失效，药柱内部可能产生宏观裂纹或微观裂纹，药柱与发动机绝缘层的粘接面也可能产生脱粘裂纹，这些裂纹不仅降低了发动机结构的完整性，而且在发动机燃烧过程中会增加燃烧的表面积，带来严重的安全隐患，因此，对SRM 推进剂裂纹危险性进行分析，确保有缺陷的发动机可靠地工作，已成为国内外推进技术领域最富有挑战性的研究课题之一。

中国航天科工集团第六研究院中国航天科工集团第六研究院，又名中国河西化工机械公司，隶属中国航天科工集团公司，地处内蒙古呼和浩特市，始建于1962年，是我国第一个固体火箭发动机研制、生产和试验基地，被誉为我国固体火箭发动机的“摇篮”。

五十年来，六院创造了中国航天固体动力发展史上10余项“第一”，成功研制出100多种型号的战术、战略、宇航用固体火箭发动机，获得省部级以上科研成果奖400余项，为中国航天事业做出了不可磨灭的贡献；六院成功研制的东方红第三级固体火箭发动机、返回式变轨制动发动机和EPKM近地点固体发动机，在我国第一颗人造地球卫星、第一颗试验通信卫星、第一颗气象卫星和国际卫星发射中屡建功勋。

2007年，党中央、国务院、中央军委联合授予六院“某工程重大贡献奖”，意义非凡。

2011年12月26日，中国航天科工集团公司内部固体动力资源重组整合，新六院组建成立。

目前，六院下属41所、46所、210所、601所、602所、359厂、389厂、8610厂、科技公司、金岗重工、实业公司、航天医院等5个专业研究所，3个大型生产厂，2个民品公司，1个三产服务总公司及配套的服务保障单位，拥有在职员工7000余人，形成了呼和浩特、北京、西安和湖北四地协同、可持续发展的军民融合式产业发展格局。

经过50年的发展，六院已逐步形成了覆盖战略、战术、防空反导以及宇航等全应用领域、多尺寸、宽射程、系列化的固体动力产品体系。

加盟六院，献身航天，让青春无悔！联系人：王老师刘老师联系电话：（0471）5239226 5239227单位地址：内蒙古呼和浩特市新华东街65号航天大厦通讯地址：内蒙古呼和浩特市1051信箱邮编：010010 电子邮箱：**************中国航天科工集团六院41所中国航天科工集团第六研究院41所位于内蒙古呼和浩特市，隶属于中国航天科工集团第六研究院，对外名称内蒙古动力机械研究所。

41所始建于1964年，是中国最早建立的固体发动机专业技术研究单位，具备各类固体发动机设计、验证和各类压力容器设计、非金属材料制造能力，是集研究、设计、开发、环境试验和部分配套产品生产为一体的综合性研究设计所。

方法与实验
进行固体火箭发动机可靠性增长试验的方法主要包括实验设计和数据采集。 在实验设计阶段，需要根据初步的有限元分析和蒙特卡洛分析，制定相应的实验 方案，包括实验条件、实验步骤和实验周期等。在数据采集阶段，需要利用各种 传感器和测试设备，实时采集实验过程中的各种数据，如压力、温度、振动等， 以供后续分析使用。
尽管计算机辅助设计技术在固体火箭发动机结构可靠性分析中得到了广泛应 用，但仍存在一些问题和挑战。例如，如何提高数值计算的精度和效率，如何实 现发动机结构的多尺度模拟和分析，以及如何设计出更具有可靠性和安全性的发 动机结构等。因此，未来需要进一步开展相关研究，以推动固体火箭发动机结构 设计技术的发展。
Hale Waihona Puke 1、优化设计：通过优化药柱的设计，提高其可靠性和稳定性。例如，优化 药柱的几何形状、选用高强度材料等措施可以提高药柱的抗疲劳性能和稳定性。
2、提高制造和装配精度：通过提高制造和装配过程中的精度，减少误差， 可以提高药柱的可靠性。例如，采用先进的加工设备和工艺方法，对装配过程进 行严格的质量控制等措施可以降低误差。
3、加强使用和维护：通过正确的使用和维护，可以延长药柱的寿命，提高 其可靠性。例如，定期检查、维护和更换药柱，避免超负荷或不当使用等措施可 以降低药柱故障的风险。
参考内容
本次演示旨在探讨固体火箭发动机结构可靠性的计算机辅助设计研究。首先， 我们将概述固体火箭发动机的基本结构和设计原则，然后介绍计算机辅助设计技 术在发动机结构可靠性分析中的应用，最后讨论未来研究方向和挑战。
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结果与分析
通过对实验数据的分析，可以得出固体火箭发动机在不同工况下的性能表现 和可靠性水平。通过对这些数据的分析和比较，可以评估出固体火箭发动机的薄 弱环节和潜在故障模式，进而针对性地提出可靠性增长方案。此外，通过对实验 结果的分析，还可以进一步优化实验方案，提高实验的效率和准确性。

固体火箭发动机固体火箭发动机定义与原理固体火箭发动机为使用固体推进剂的化学火箭发动机。

固体推进剂点燃后在燃烧室中燃烧，化学能转换为热能，生成高温高压的燃烧产物。

燃烧产物流经喷管，在其中膨胀加速，热能转变为动能，以极高的速度从喷管排出而产生推力。

固体推进剂有聚氨酯、聚丁二烯、端羟基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。

固体火箭发动机组成固体火箭发动机由药柱、燃烧室、喷管组件和点火装置等组成。

药柱是由推进剂与少量添加剂制成的中空圆柱体（中空部分为燃烧面，其横截面形状有圆形、星形等）。

药柱置于燃烧室（一般即为发动机壳体）中。

在推进剂燃烧时，燃烧室须承受2500～3500度的高温和102～2×107帕的高压力，所以须用高强度合金钢、钛合金或复合材料制造，并在药柱与燃烧内壁间装备隔热衬。

点火装置用于点燃药柱，通常由电发火管和火药盒（装黑火药或烟火剂）组成。

通电后由电热丝点燃黑火药，再由黑火药点火燃药拄。

喷管除使燃气膨胀加速产生推力外，为了控制推力方向，常与推力向量控制系统组成喷管组件。

该系统能改变燃气喷射角度，从而实现推力方向的改变。

药柱燃烧完毕，发动机便停止工作。

固体火箭发动机的优缺点分析及适用范围固体火箭发动机与液体火箭发动机相比较，具有结构简单，推进剂密度大，推进剂可以储存在燃烧到中常备待用和操纵方便可靠等优点。

缺点是“比冲”小（也叫比推力，是发动机推力与每秒消耗推进剂重量的比值，单位为秒）。

固体火箭发动机比冲在250～300秒，工作时间短，加速度大导致推力不易控制，重复起动困难，从而不利于载人飞行。

固体火箭发动机主要用作火箭弹、导弹和探空火箭的发动机，以及航天器发射和飞机起飞的助推发动机。

固体火箭发动机的关键设计固体火箭发动机药柱燃烧过程中燃面面积的精确计算在固体火箭发动机设计中一直占有重要地位，国内外学者对此也提出了很多计算方法，像通用坐标法、有限元素法和边界坐标法等，但这些方法基本都是数值法，其输入复杂，无法显示燃烧过程中燃面的精确变化，计算精度不高且容易产生燃面波动。