火箭发动机是使火箭能够飞行的推进装置，固体火箭发动机的结构设计主要包括燃烧室、喷管、支持装置及点火装置。喷管是火箭发动机能量转换的重要部件，它把推进剂燃料产生的高温高压燃气的热能和压强势能转变为高速排出气体动能产生反作用力。

在火箭发动机中，高压气体通过喷管时，涉及到一系列热力学和流体力学效应。

1. 喷喉效应：

   - 压缩：喷喉使气体受到约束，导致气体体积减小，从而引起气体的压缩。

   - 升温：由于气体受到压缩，其分子动能增加，导致温度升高。

2. 喷喉中的气体加速：

   - 增压和增速： 由于气体在喷喉中被迫通过狭窄的截面，气体速度增加，同时伴随着压力的增加。

3. 扩张段效应：

   - 膨胀：当气体通过扩张段时，受到喷喉约束的气体膨胀，导致体积的增加。

   - 降速：随着气体膨胀，流速减小。

4. 内能转化为动能：

   - 喷喉到扩张段的转变：在喷喉中，气体的内能主要表现为温度和压力，而在扩张段，气体的内能被转化为动能，实现了气体的膨胀推力。

5. 反冲力：

   - 动量守恒：由于气体膨胀产生的动能转化，根据动量守恒定律，反冲力产生，推动火箭。

这些效应共同作用，影响着火箭发动机的推进性能。我们通过精确设计和优化喷喉和扩张段，以最大程度地提高发动机效率。

喷管设计的主要任务是选择喷管的结构形式，设计内型面参数，确定热防护措施。喷管型面由收敛段，临界段（喷喉）和扩张段构成。

喷管设计参数包括扩张半角、收敛半角，扩张比等。造成火箭发动机性能损失的原因有两相流损失、散热损失和气流扩散损失等。

喷管内流动的高温燃气或一定量的熔融颗粒流剧烈冲刷及烧灼使发动机内型面遭到破坏，同时燃气热量通过壁面向外壁传导，使喷管壁面材料温度升高，因此做好发动机的热防护可以保证发动机稳定工作，针对隔热问题，我们使用了纸筒作为发动机燃烧室的隔热层，发动机工作后，纸筒会被烧蚀损坏，复用时只需要更换纸筒即可（燃料浇筑在纸筒内部）

综上所述，我们设计了一种35毫米外直径，220毫米总长度的微型固体火箭发动机。（以下统称KTX-1发动机）

想要减轻发动机的总重量，但不失强度，我们选择了6061铝管作为耐压外壳，后堵头所承受的直接侵蚀较小，用酚醛树脂（俗称电木），喷管的设计是较为复杂但极为重要的，用304不锈钢固然可以减少侵蚀，但结构重量太大，得不偿失，而如果全采用酚醛树脂用作喷管，高温高压的燃气带来的强烈冲刷，会使其喉部严重扩张带来能量损失。但如果使用酚醛树脂用作喷管主体结构，用304不锈钢充当喷管喷口的喉部的复合喷管，则可以达到优异的效果。燃烧室及喷管的连接要求可靠性好、连接部分密封性好。我们将喷口与6061铝管外壳用两个氟胶圈密封，再使用卡簧固定。

确定好喷口扩张比后，使用相关设计工具设计喷管内型面尺寸

综合考虑电木和304不锈钢的耐冲刷耐高温能力与喷口尺寸，我们使用一个直径6mm，外径12mm ，厚度3mm的304不锈钢衬喉，套在电木喷管立体入口内

喷管剖面

燃料开孔选择了简单稳定的圆形开孔

使用SRM（固体火箭发动机相关性能计算工具）火箭发动机仿真

使用科创论坛相关计算工具对固体火箭发动机内弹道模拟与性能计算

 使用AnsysFluent对喷口气流仿真

根据科创相关计算工具算出压力峰值为4.33Mpa，KNSB燃烧温度约为1530k，大气压为101Kpa，大气温度300k

Velocity云图

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temperature云图

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绘制KTX-1发动机图纸

使用solidworks绘制KTX-1发动机3D模型

喷口 堵头

(剖面图)

至此，我们已完成KTX-1型微型固体火箭发动机的设计，设计完成后使用数控车床加工相关零部件。

发动机美图：

发动机试车测试

试验点火

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正式试车：

搭建安全稳定的试车环境

我选择了学校附近的一块荒地，使用砖头固定，试车台背靠草墩，人员离开至25m开外。

发动机首次使用测试：

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2月9日.mp4  点击下载 ‎

喷口侵蚀：

推力达到150N，7075铝合金壳体无任何问题，堵头一面发黑，喷口就遭殃了。同时仿真模拟的测试结果少了30N，经过我们团队的分析与验证，有以下几种原因导致发动机工作推力达不到仿真结果：

1. 发动机燃料制作质量不够高，硝酸钾没有过筛，没有重结晶提纯，没有经过研磨。

2. 燃料浇筑过程中中心孔内壁不均匀，燃料内部有气泡。

3. 喷口抗侵蚀能力不足，304不锈钢衬喉的抗侵蚀表现差，喷口扩张较快导致喷口效率下降

4. 燃料内孔较小，发动机建压较慢，损失部分燃料的能量。

发动机第二次使用测试：

我使用环氧树脂加水泥将喷口修补了之后，复用第二次。

试车视频：

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喷口侵蚀：

（上：使用第一次 下：使用第二次）

（注:上面的那个喷口使用第一次时我通过502胶水将衬喉与喷口之间的小缝隙堵上了，而下面那个喷口则没有，填补缝隙之后衬喉的抗侵蚀提升了一点。）

经过实践检验，发动机除喷口外的所有工件均可以复用多次，喷口最多复用3次（复用时需要对喷口进行修补），后期将会对喷口进行优化与修改。

发动机组装的视频B站有一模一样的，这里不做赘述

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后记：

超燃剪辑:

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最后欢迎大家来B站观看我们工作室的超燃剪辑：

【“向天而行！”-惠州中学天行科技工作室-哔哩哔哩】 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX  

感谢支持

特别致谢：@氢离子 帮忙进行推力数据处理，FPD采集卡非常好用。