高能固体火箭发动机内弹道设计方法
Winter 2021-8-22原创 喷气推进
中文摘要
一种基于燃通比控制的大总冲高能固体火箭发动机内弹道设计方法。本方法基于从MY-82固体火箭发动机的装药设计过程中我的一些经验进行总结。
关键词
内弹道火箭发动机燃通比优化

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(MY-82固体火箭发动机药型透视图)

    感谢科创基金对本项目的帮助。本方法基于从MY-82固体火箭发动机的装药设计过程中我的一些经验进行总结。MY-82的制造、测试和设计资料的内容详见这三个帖子【MOYU】82mm直径火箭发动机MY-82的设计与参数 - 科创 (kechuang.org) MY-82固体发动机试验 - 科创 (kechuang.org) MY-82固体火箭发动机 - 科创 (kechuang.org)

0、  发动机工作室压范围的确定

应该根据实际需求来确定这个步骤的排序。

这一步骤有时需要先于其他步骤,比如发动机管材尺寸先敲定了,那么最大室压此时已经被限制。

而有时是在过程中根据其他条件确定,比如有时为了达到更大的推力可能需要更高的室压。

通常安全系数不低于1.5,也不宜过高,会增加发动机死重。

1、     确定发动机的燃料

2、     确定一些额外的约束条件。

    比如有的火箭需要限制发动机直径,或者需要比较大的起飞推力,又或者需要一个比较平稳的推力曲线。这些需求必须在其余设计开始前完成敲定,否则已经设计好的发动机需要适配这些特殊需求很可能需要推翻重做。

3、     确定最大燃通比。

    燃通比是指燃气通过此处的燃烧面积与此处内孔截面积的比,与面喉比(喷燃比)同理。在常见的内孔设计中,可以理解为从发动机头部到此处为止的燃面面积与此处的内孔截面积的比。的根据火焰弯曲理论,侵蚀燃烧取决于临界侵蚀流速,而燃气流速取决于装药的燃通比,高于临界燃通比开始产生侵蚀,严重过高的燃通比甚至会导致侵蚀过于严重,出现燃速压强的正反馈,发动机必然炸毁。根据文献资料,丁腈基粘合剂临界燃通比通常不低于100。根据我们团队的经验值,669#燃料临界燃通比不低于70。

4、     确定需要的发动机总冲

5、     确定燃烧室直径

    因为一般业余条件下难以设计和制作比较复杂的三维药柱,所以容积装填系数(推进剂体积与燃烧室内腔有效容积之比通常难以超过80%。而根据多次设计经验,固体火箭发动机装药的长径比难以超过10,通常在6左右已经满足需求。以此为参照能很容易的算出满足设计总冲需要的装药直径和长度。

6、     敲定药型,从头(发动机堵盖)到尾(发动机喷管)逐段设计装药

    因为MY-82发动机一开始就敲定了总冲不低于6500N·S且初始推力大于1000N的严苛要求。我这次设计的MY-82发动机为了同时满足所有约束条件,选用了容积装填系数高(以致于各处燃通比基本都压线)、初始推力大的选择:圆孔-圆锥孔-星孔的三段式设计,这属于一种翼柱装药。为了不让燃料在垂直方向上燃烧导致非常复杂的燃面变化,三段装药的所有燃面均做阻燃处理。这简化了装药设计的流程,使得我们能在平面设计软件中实现燃面变化的模拟,加快了迭代的速度。模拟方法见Frozen巨擘的帖子利用绘图软件—星孔模的设计,优化过程 - 科创 (kechuang.org)由于燃气是从内往外流动的,所以从头到尾逐段进行的设计办法可以更高效的约束各处的燃通比,同时有利于容积装填系数最大化。

7、     检查设计结果是否满足约束条件,进行迭代与优化


[修改于 3 个月前 - 2021-08-22 19:55:04]

来自:火箭技术 / 喷气推进
 
3
MGS
3个月5天前
1楼

不太明白作者所谓“安全系数”是以什么为根据来衡量的?


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虎哥
3个月5天前 修改于 3个月5天前
2楼
引用MGS发表于1楼的内容
不太明白作者所谓“安全系数”是以什么为根据来衡量的?

应该要已知发动机的压力波动范围及其概率分布,并且也要考虑压力容器性能的一致性。另外“安全系数”缺少准确定义。

许多爱好者搞的燃料一致性不佳,按设计工作压强的1.5倍余量来考虑可能是不够的。

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探空火箭爱好者。电磁加速爱好者。曾主持/参与多个探空火箭项目、火箭燃料研究项目、新工艺开发项目。 不知名牛皮吹奏家。小区级鸽子放飞师。

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