一枚小型(塑料)固体火箭发动机的设计和制作【图文并茂,细节详尽】】
一枚小型(塑料)固体火箭发动机的设计和制作全流程攻(xia)略(che)解(luan)说(xie)

写作目的:论坛中关于固体火箭发动机的设计和制作全流程的资料缺乏,并且关于塑料固体火箭发动机的资料亦较少,而我个人认为塑料固体火箭发动机制作方便,价格低廉,适宜初学者上手,故根据自己的理论与经验,给出一份设计并制作塑料固体火箭发动机的全流程资料,以供探讨交流,也是展现一下自己的成果与心得。
(以下资料完全原创,使用的他人方法均有超链接给出,转载请注明作者与出处,谢谢合作!)


(一)基本要求:设计一枚以C-PVC管(内径21.50mm)为主体,KNDX作为燃料,堵漏王作为堵头&喷口(拉瓦尔喷管)材料的小型固体火箭发动机。(备注:此设计思路不对总冲有要求,仅给出所能得到的材料,并根据材料限制而设计)


(二)设计过程
(1)首先要确定药柱长度
假定喷口直径为mm(加工原因),则有下图——
CALC.JPG


推导过程来自于 @猎鹰 的相关理论
最终确定高度为8cm(个人觉得按照这个高度,如果喷管不烧蚀,喷燃比远高于PVC管耐受值,应是金属管的值,不知是计算错误还是确实如此(我的公式和各个取值均在图中有给出,还请赐教)。不过由于喷管烧蚀严重,个人认为可以取这个值)
(2)确定扩张段出口直径
仍然是图片——
CALC2.JPG


计算结果为5.5mm,由于模具原因,取6mm直径。
(3)软件模拟
由于冲刷严重,喷燃比分两次计算,假定燃速4mm/s,冲刷1mm/s,则有——
初始喷燃比
PRB.png

最终喷燃比
PRB2.png

内弹道的模拟就不进行了,所拥有的软件计算的压强,个人猜测,均是按金属机来的,放在塑料发动机中并不可靠。(ps:我发现,按照数据输入后,得到的最大推力/2均非常接近实测的最大推力,这个设计其实也进行过模拟,最大推力为111N,按照不可靠的经验估计这次的最大推力约为5kg,当然,这个想法没有任何理论支持,一笑而已。)


(三)发动机制作
塑料发动机的理论部分已经大致完成,下面就进入了发动机的制作部分(制作图纸有绘制,水准太次,暂不给出)
(1)制作思路
发动机一共由三部分组成:喷管、堵头和壳体。此次制作将喷管单独制作,装入壳体中,并使用AB胶&水泥粉保证气密性,使用热缩口保证结构的强度。然后将药柱装填入发动机,再浇注堵头,并热缩口以保证结构强度。
(2)喷管模具制作
喷管的收敛段用破窗锤的尖端制作,扩张段用弩箭的尖端制作,材料如图——
m.JPG


由于无法在堵漏王凝固前同时把两者插♂入其中,故先制作了一个简陋的模具——
m2.JPG
m3.JPG


底部是堵漏王,尖端从弩箭上剪下固定在正中央(注意出口直径6mm),利用了新灌注的堵漏王与原有的堵漏王不连结的特性,使用时只需用纸卷一个纸筒(纸筒中标注好浇筑的长度,此处为20mm),插♂入管中,确定底部平整,并用笔把纸筒与管壁捋平,然后浇筑堵漏王,在拥有一定强度时插♂入破窗锤,待完全凝固时拔出破窗锤和纸筒即可。
(3)喷管成品制作
做好模具并按步骤操作以后,可以发现收敛段和扩张段并未连接(按照图纸,一定会有约3mm的间隔),故使用3mm钻头钻通,操作时注意保持钻头平行于轴线。操作完成后保持喷管竖直向下,浇水,观察水下落的轨迹是否竖直向下,以确定喷管性能良好(此处无图,因实在难以拍摄)最终得到喷管成品——
PG (1).JPG
PG (2).JPG
PG (3).JPG


(4)发动机组装
a.喷管与壳体的连接
先准备好胶水,
JS.JPG


调配好,涂抹在喷管上,装填入壳体中——
KT (1).JPG


待干燥后在前端涂抹一圈,保证气密性
KT (2).JPG


热缩口
SK.JPG


b.装填药柱
先是要做好药柱,这个过程就不赘述了,直接上成品——
YZ.JPG


全长82mm,制作时裹着的打印纸正好可以作为隔热层
装填就不赘述了,直接塞进去,如果不够粗♂就在外面裹一层生料带,但是要裹得均匀,因为生料带不隔热,并且怕火,所以要慎用,一旦火烧到生料带,再烧穿管壁,就会出问题的。此次药柱装填口径正好合适,没有用生料带。(备注:有时候口径有些许问题,可以在纸卷外面再绕纸卷,但操作可能比较困难)
c.堵头浇筑
堵头浇筑方面,我的诀窍是:先做好缩口(使用空气对流加热,或者用吹风机吹热风,以防以装填的药柱被点燃),再灌堵漏王,不用怕未凝固的堵漏王中的水影响药柱性能,已测试过同规格的发动机,直接浇筑和做好后安装堵头,效果区别不大。
浇筑完成后是这个样子的——
CP.JPG

灌多了不要紧,完全不影响使用,实在看不下去的,等它定型后,用砂纸磨掉就好了。
最后,等到堵头干透以后,放到干燥袋中,使用的时候取出,直接把导火索插♂入小♂孔中即可。
展示一下最终的成品——
qqwwbn.JPG


至此,一枚小型(塑料)固体火箭发动机已设计、制作完毕。


谨以此交流探讨,如有更好的方案,还请不吝赐教。
此致

[修改于 5 年前 - 2015-02-11 21:27:51]

来自 喷气推进
2015-2-11 14:18:34
qqwwbn(作者)
1楼
初次发贴,有做的不好的地方还请多多指教,别骂得太惨%>_<%
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2楼
“公交车纪念品”
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3楼
挺好的
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4楼
支持~~~
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5楼
我之前有一步是错的,理想气体状态方程是pv=nRT,不是m。
温度和压力在喉部是低于燃烧室内部的,还得进行一次计算,这一步是我之前忘提了的。
喉部温度.png


屏幕快照 2015-02-11 下午7.19.11.png
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6楼
ab胶预热极有可能化开!!
注意喷口
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7楼
引用 20!不曾存在:
“公交车纪念品”
什么意思?
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8楼
关键是固体火箭燃料
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qqwwbn(作者)
9楼
回复:猎鹰
那一步没有错,你使用的是PV=mR*T,并且定义了R*=R/M,代入的话就是常见的PV=nRT。温度和压力你也提了呀 @_@,就是我觉得比热比不靠谱就没算下去(才不是偷懒呢)。

[修改于 5 年前 - 2015-02-11 21:25:15]

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qqwwbn(作者)
10楼
回复:香皂火箭q
谢谢提醒,我会注意的。确实,喷口出问题的情况确实发生过,得小心。
另外的,回复中那一种引用的段落都是怎么做到的?
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2015-02-12 10:42:40
11楼
引用 qqwwbn:
回复:香皂火箭q
谢谢提醒,我会注意的。确实,喷口出问题的情况确实发生过,得小心。
另外的,回复中那一种引用的段落都是怎么做到的?
在别人回复的话下方有个‘’回复‘’,在那里回复就行了。
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2015-04-05 12:30:14
2015-4-5 12:30:14
12楼
楼主能教教我怎么做热缩口么
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13楼
引用 2446218083:
楼主能教教我怎么做热缩口么
拿管子一头在天然气灶上烤 略软后在桌面上斜按住滚动 重复此步骤
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2015-06-25 17:25:43
2015-6-25 17:25:43
14楼
请问楼主喷管磨具是啥做的?
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2019-08-05 23:42:47
2019-8-5 23:42:47
15楼
引用 猎鹰 发表于 5 楼的内容:
我之前有一步是错的,理想气体状态方程是pv=nRT,不是m。温度和压力在喉部是低于燃烧室内部的,还得.....

这种高压气体可以看作理想气体?

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2019-08-22 08:40:27
2019-8-22 08:40:27
16楼
引用 1849223902 发表于 15 楼的内容:
这种高压气体可以看作理想气体?

这里的R并不是8.314,建议去参考一下工程热力学


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17楼
引用 qqwwbn 发表于 1 楼的内容:
[size=3][font=楷体]初次发贴,有做的不好的地方还请多多指教,别骂得太惨%>_<% [/.....

可以使用牙科石膏作为喷口材料

[修改于 3 个月前 - 2019-08-22 08:50:11]

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