發(fā)動機設計復習整理

西北工業(yè)大學航天學院飛行器動力工程蒲曉航西北工業(yè)大學航天學院飛行器動力工程蒲曉航火箭發(fā)動機設計復習提綱驟？總體參數(shù)：總體構造形式確實定及主要構造材料的選擇推動劑的選擇裝藥型式總體參數(shù)的依據(jù)：

發(fā)動機直徑和長徑比的選擇燃燒室壓力的選擇噴管膨脹比的選擇發(fā)動機用途：發(fā)動機的用途主要指所用的類型和級別性能指標：發(fā)動機總沖及其偏差，發(fā)動機比沖及其偏差，推力方案，發(fā)動機工作時間，推力掌握，牢靠性約束條件：總長，直徑，質量，重心位臵，點火延遲時間，推力終止裝臵的要求環(huán)境條件：貯存環(huán)境，運輸環(huán)境，使用環(huán)境，飛行環(huán)境勤務處理及經濟方面的要求具體設計涉及裝藥、內彈道、燃燒機理以及殼體受熱、應力分析等等一系列設計、分析、計算過程。整個計算過程包含著一系列的重疊和反復〔與初步設計之間也存在反復。設計步驟：原始參數(shù)。另外，有時還要求給出排出燃氣的組成，作為考慮排氣煙霧的依據(jù)。藥柱設計：一般包含三個根本局部，幾何外形設計、內彈道性能計算和構造完整性分析。的燃燒穩(wěn)定性可以進展預估性驗算。的密封設計；而殼體和噴管設計則必定伴隨著受熱、選材、燒蝕及強度方面的考慮。流場分析。措施？固體推動劑的燃速受初溫影響比較嚴峻，使用環(huán)境的溫度不同，發(fā)動機內推動劑的燃速不同，從而導致發(fā)動機內彈道性能變化，此時可承受可更換噴管或可調噴管構造，轉變喉部面積大小，與實際燃速相適應，以減小初溫轉變帶來的影響。彈道發(fā)動機構造有何特點？一般承受貼壁澆鑄的內孔燃燒藥柱，這樣既可以實現(xiàn)大推力、長工作時間，到達射程遠的目的；又解決了大尺寸藥柱的制造、支撐及室壁隔熱問題。。為傳遞推力和與彈體連接，在前、后封頭處均設計有連接裙。噴管一般都承受潛入式的，這樣可以縮短發(fā)動機的軸向尺寸?，F(xiàn)代多承受單噴管，早期有承受多噴管〔4個〕的。選擇裝藥的依據(jù)是什么？藥柱、絕熱層和襯層統(tǒng)稱為裝藥。其中，藥柱的選擇包含固體推動劑的選擇和藥柱外形、尺寸的選擇。固體推動劑選擇原則：應具有盡量高的能量特性：推動劑的能量特性是以體積比沖〔比沖與密度的乘積〕來表征的；應具有所要求的內彈道特性：燃速的調整范圍要寬；推動劑的壓強指數(shù)應盡量低；推動劑的燃速溫度敏感系數(shù)應盡量小。應具有良好的燃燒特性；應具有良好的力學性能；應具有良好的熱安定性和貯存安定性；應具有良好的經濟性。藥柱外形、尺寸的選擇原則：選擇藥形的根本原則，歸納起來是三個，即能量特性及內彈道特性、構造完整性和工藝性，再綜合考慮其他方面的原則。具體可論述為：所選藥形的燃面變化規(guī)律應符合主要技術要求中規(guī)定的推力隨時間變化方案；所選藥形應具有足夠的燃燒面積，以獲得所要求的推力；v所選藥形應使發(fā)動機具有較高的 ，以保證發(fā)動機具有較高的沖質比；v盡量無余藥，以削減能量損失或推力拖尾現(xiàn)象；所選藥形應具有足夠的強度，有較好的構造完整性。絕熱層和襯層的厚度選擇要依據(jù)燃燒室內部相應的熱防護計算結果確定。一維端面燃燒裝藥有什么優(yōu)缺點，對缺點實行哪些改進措施？一維端燃藥柱的優(yōu)點：構造簡潔，工藝性好，藥柱構造完整性易得到保證；裝填分數(shù)高；無侵蝕燃燒；無余藥，內彈道曲線無明顯拖尾端；工作時間長、推力平穩(wěn)。缺點：殼體直接與燃氣接觸，帶來了燃燒室的熱防護問題；貼壁澆注后易產生應力集中；燃燒方向單一，易產生燃燒不穩(wěn)定；發(fā)動機工作過程中，質心位臵變化大，會影響掌握性能；推力較小。針對缺點實行的措施：藥柱外包覆絕熱層和襯層，保護殼體；推動劑藥柱兩端進展人工脫粘，釋放應力；改進推動劑配方，抑制不穩(wěn)定燃燒；推動劑中參加金屬絲增加燃速，提高推力；將其臵于助推發(fā)動機前靠近質心處，解決飛行器質心偏移過大問題。表達確定發(fā)動機直徑和長徑比的步驟。當殼體材料和固體推動劑選定后，我們就可以基于總沖指標依據(jù)殼體構造質量最輕原則來確定燃燒室殼體的直徑和長度。徑比叫做“最正確長徑比設計的流程可表述為：當給定發(fā)動機的總沖指標和選定的推動劑后，可計算出推動劑的質量和體積：m II,VP s P

m P

I(I)s P然后依據(jù)燃燒室內推動劑的體積裝填分數(shù)V

計算出燃燒室容積V

V P

。在給定的殼體材c料的情形下，依據(jù)計算出的Vcc

，依據(jù)殼體材料質量最輕原則計算動身動機殼體的最正確半徑r，然后c可計算出最正確長徑比，最終計算出最正確長度Lr〔其中r為殼體的中面半徑，對大型發(fā)動c機而言可近似取為殼體內徑。

c c c對最正確長徑比較小時，發(fā)動機的總質量m對m

r格外敏感，盡量取r

r；對于較大的，可ccc依據(jù)實際狀況，使rcccc

r四周取值。在c在J和e對裝藥設計的影響裝填密度是指單位燃燒室容積內裝入推動劑的質量，它是表示燃燒室容積的利用率，表征了藥柱設計的質量。裝填密度mp

AL T pV ALc c c在很多狀況下藥柱長度與燃燒室長度相差不多，即Lc

L，這樣A TA pTc其中，AT

為藥柱的橫截面積；Ac

為燃燒室的橫截面積。裝填分數(shù)〔截面裝填因子〕定義為：A TAAc可以看出，當 肯定時，即可代表，反映了藥柱設計的質量指標。的值總是小于1的，p但在藥柱設計中，應盡可能地增大值，即盡可能充分利用燃燒室容積。但的增大會受到通氣參J〔或e〕的限制，否則會引起侵蝕燃燒而產生初始壓強峰。AJ tAAp

AtAAtc

AtA(1)tc

eAbAbp

AbA(1)bc可以看出，裝填分數(shù)地增大會使J、e值增大，從而引起侵蝕燃燒。因此，在藥柱設計時，一般要通過的發(fā)動機外徑來估算燃燒室的內徑dc確定藥柱幾何尺寸及估算值。

，進一步算出Ac

，然后用對J或e的限制來P某發(fā)動機承受單根管狀裝藥，燃燒室內徑DC=192.6mm，由總沖算出裝藥的體積V=1.316×10－2m3，At=93.3×10-5m2，J ＝0.4，由壓強確定其燃喉比K＝399。試確定P允許這種裝藥的尺寸。的幾個階段并加以說明。等截面星形內孔裝藥的主要幾何參數(shù)：D2R;藥柱長度L;藥柱肉厚e1;特征尺寸l;

星角數(shù)n;星槽圓弧半徑r;星邊夾角;星角系數(shù)明顯 le1rD/2。燃面變化分為兩個階段，即星角直邊CD消逝前與消逝后的兩個階段。第一階段的燃燒邊長由兩個不斷增長的圓弧AB及BC和一個減小的直邊CDAB和BD組成，它們在燃燒后1期不行避開的是增面的。往往當燃至ee1

時發(fā)動機工作完畢，剩下未然盡的藥稱為余藥。什么是人工脫粘？請畫出示意圖。實際發(fā)動機中，最大應力通常發(fā)生在不連續(xù)點處〔如藥柱連接面的終點生在內孔外表、長圓柱孔的中間部位或幾何不連續(xù)點處〔如藥柱翼的尖端。為了確保這些臨界點處的應力應變不超過允許范圍，使裝藥同時滿足彈道和強度要求，需要進展人工脫粘〔在絕熱層和殼體之間。但人工脫粘處絕熱層要加厚，以保證殼體和藥柱的安全，從而消極質量有所增加。頭構造是什么？圓柱形燃燒室殼體一般承受半球、橢球、碟形封頭和平底封頭。平底封頭只用于小直徑燃燒室殼體。等壁厚設計時力學性能排序：半球>橢球>蝶形>平底。半球形封頭受力最好，因此壁薄、質量輕。但是這種封頭深度大，成形時對材料的塑性要求高。在殼體長度肯定時，同始終徑的殼體承受半球形封頭比承受橢球封頭的容積小。橢球封頭是由橢圓曲線繞其短軸旋轉而成。由于橢球經線曲率是連續(xù)變化的，因此封頭上的應力也隨之連續(xù)變化。碟形封頭由于幾何外形的不連續(xù)性，在不同幾何外形連接處必定會產生不連續(xù)應力，從而降低封頭的承載力量。平底構造最簡潔，易加工，但受和狀況也最差，必需做得很厚，增加構造質量。大型固體發(fā)動機常用的封頭構造為橢球形封頭。發(fā)動機常用的密封方式有哪些？各適應于什么場合。為了防止發(fā)動機工作過程中燃燒室內高溫高壓燃氣外泄，以及確保發(fā)動機在貯存、運輸過程中內部的防潮和防腐，必需要求各連接部位有良好的密封性能。固體火箭發(fā)動機上常承受的密封為O形圈和平墊圈密封，前者最為普遍。O形圈密封毋需太大的預緊力，將其臵于密封槽中，靠安裝和受載后的壓縮變形來實現(xiàn)密封。這種密封構造的特點是燃氣壓強越高，壓緊力越大，密封效果越好。平墊圈是用在被連接件與螺母之間的零件。平墊圈一般用在連接件中一個是軟質地的，一個是硬質地較脆的，其主要作用是增大接觸面積，分散壓力，防止把質地軟的壓壞。選擇什么樣的材料時發(fā)動機的低應力脆斷才顯得比較突出。為了追求發(fā)動機的高質量比，減輕構造質量，往往使用高強度鋼。高強鋼殼體應力遠低于材料的屈服極限時發(fā)生斷裂即為低應力脆斷。殼體材料的低應力脆斷是從材料的固有缺陷——裂紋開頭的。按裂紋位臵與應力方向之間的關〔1〕〔〕滑移型：〔〕紋前緣的剪應力作用下的擴展。構造中的初始裂紋是比較小的，在構造承載過程中會漸漸擴大，到達臨界尺寸時便發(fā)生低應力脆斷。張開型是最簡潔發(fā)生低應力脆斷的，中選擇的燃燒室殼體材料中的裂紋為張開型時，變更簡潔發(fā)生低應力脆斷。有物理化學變化的燒蝕材料的熱防護機理是什么？燒蝕材料的熱防護機理為：溶化吸熱；蒸發(fā)吸熱；熱解吸熱；層中，這樣可以阻擋一局部熱量進入物體，起到防熱作用。熱輻射吸熱；熱容吸熱。噴管的收斂半角和擴張半角的取值范圍一般是多少？非潛入噴管的收斂段型面一般承受圓錐面,其收斂〔入口〕半角在30~60°范圍內選擇。值值太大，會發(fā)生頸縮現(xiàn)象，造成流量損失450t其型面通常設計成橢圓形，其長短軸之比為3：2，橢圓中心取在喉部截面上，長軸一般為1~2r。t非潛入和潛入噴管的擴張段型面設計是一樣的，通常有錐形和特形〔鐘形〕兩種。錐形擴張段的錐面母線與喉部圓弧相切，半錐角〔擴張半角〕一般取15°最正確；為使擴張段不致過長，目前一般取=18°；特形擴張段需用空氣動力學特征線原理造型。噴管喉部加一圓柱段有什么優(yōu)點？論述雙圓弧設計噴管的根本步驟。雙圓弧是指噴管擴張段內型面由兩個圓弧組成。第一個圓弧為喉部區(qū)的型面，其中心位于喉部臨界截面上；其次個圓弧為超聲速區(qū)型面，它與第一個圓弧切于點B。型面作圖法如下：t 給定參數(shù)：喉徑d，擴張比，出口半角at e n 由和2a,從圖4-5中查得Ln(LnL /d)；e n 0R0

R0(R0R

/d)t00L2R

e

/2dt

)21n0 n

sinae

e

/2dt

)cosa]e求二圓弧切點B上的氣流最大傾角aML R sinaa sin1 n 0 M R 10求大圓弧圓心的相對坐標

X L R0 n

sinadY R cosa0 0

e2d求點B的相對坐標

tX sinaBMBBY 1.5cosaBMt 給定X(XX/d，且XBXLn，求大圓弧上對應X的Y(YY/d)t Y Y(R0X(R0X0X)(R0XX)燃燒室和噴管的常用熱防護措施有哪幾種？固體火箭發(fā)動機的燃燒室和噴管的熱防護均承受被動熱防護方式——熱防護材料。為了保證燃燒室殼體不被高溫燃氣燒壞，同時不致過熱以保證足夠的強度，需要對燃燒室殼體進展熱防護，通常是在殼體內部噴覆絕熱涂層〔短時工作的小發(fā)動機〕或者粘貼絕熱層。要求絕熱層的密度低、熱解溫度高、潛熱大、炭化率高。絕熱層在燃氣作用下變成炭化層、熱解層和原始層。噴管的熱防護設計在于盡可能使噴管型面在工作過程中不轉變或少轉變，并使其支撐構造的溫度掌握在許可的范圍內。噴管的熱防護材料包括燒蝕材料和絕熱材料。噴管收斂段和擴張段接觸燃/碳復合材料、陶瓷和陶瓷基復合材料。喉襯的背壁以及收斂段、擴張段燒蝕層的背壁均承受絕熱材料。復合噴管材料可以分為三類，對喉襯材料有哪些特別要求。復合噴管材料一般是指組成噴管基體的金屬材料，組成收斂段、擴張段邊界層以及喉襯的燒蝕材料和收斂段、擴張段燒蝕材料背壁以及喉襯背壁下的絕熱材料。對喉襯材料的要求：喉襯材料在點火期間承受高溫熱沖擊，需要其抗熱振性能好；在發(fā)動機正常工作期間，承受高溫高壓氣流沖刷、熱應力和粒子撞擊，要求喉襯有良好的燒蝕性能和機械強度；喉襯的作用是保證喉部面積不變，以維持發(fā)動機正常推力，故要求其熱膨脹系數(shù)小，燒蝕后的炭化區(qū)抗侵蝕力量強。舉出一種推力矢量掌握裝置，并簡述其作用原理。柔性噴管是一種全軸搖擺噴管，由固定體、活動體和柔性接頭組成。柔性噴管的固定體，一端與柔性接頭相連，另一端與燃燒室殼體連接。也可以省去固定體與柔性接頭的連接，使之成為一個整體，以減輕質量。活動體是由收斂段、喉襯和擴張段組成的完整噴管，其有一法蘭與柔性接頭相連。由于柔性噴管一般是潛入式噴管因此必需實行熱防護措施。例如，/碳復合材料做增加件，并在受熱面伸出彈性件外一段距離，形成防熱柵，以隔絕燃氣。柔性接頭的構造是軸對稱的，在互成900的俯仰和偏航平面內安裝作動器，可實現(xiàn)噴管的全軸搖擺。試分析影響點火延遲的因素有哪些。從點火訊號或指令給出的時刻起到初始壓強P(0.3MPa)建立為止其間所對應的時間間隔稱為i點火延遲時間t。對于固體火箭發(fā)動機而言，從電發(fā)火管通電到發(fā)動機燃燒室壓強到達額定工作壓di強的75~80%期間所經受的時間又稱為藥柱點火延遲期t。ign固體火箭發(fā)動機藥柱點火延遲期tign包括兩局部時間，如圖5-1所示。在該圖上，A點相當于電發(fā)火管電路接通瞬間，B點相當于電發(fā)火管橋絲燒斷瞬間，C點相當于點火裝臵藥盒裂開或點火發(fā)動機噴出點火燃氣瞬間，D點相當于藥柱被點燃瞬間，該瞬間人為的規(guī)定為發(fā)動機工作壓強或推力值到達額定值的75~80%時，藥柱就點燃了。從A點到C點即從電發(fā)火管通電到點火藥燃燒產物觸及藥柱燃燒外表為止的一段時間稱為發(fā)動機點火延遲期的第一局部時間。對某些特定點火裝臵，這C點到D點即從點火藥燃燒產物與藥柱燃燒外表接觸起到藥柱正常燃燒為止的一段時間，稱之為藥柱點火延遲期的其次局部時間，用τ表示。影響τ的因素可分為以下五大類：(一〕藥柱的物理化學性質：λ、C和P；(二〕點火藥性質點火藥的燃燒氣體溫度Tg越高，則可使τ減?。稽c火藥藥粒大小對τ的影響很大；點火藥數(shù)量的多少意味著點火能量的大小。假設點火藥量過少，就會使τ增大或者瞎火。固然，點火藥量過多，不但必要性不大，反而會引起過高的點火壓強峰。(三〕發(fā)動機構造發(fā)動機燃燒室自由容積Vc的大小，直接影響點火的性能;發(fā)動機噴管的堵蓋，可使點火壓強快速建立起來，點火延遲期縮短;發(fā)動機的藥柱燃燒面積A

與噴管喉部面積A之比對點火也有較大影響一般說，AAb t b t越大，τ越小;當燃燒室中金屬件較多，且暴露的金屬外表大時，點火燃氣無效散熱大，因之藥柱點火延遲期τ增大。(四〕藥柱的初始溫度;(五〕 點火器的安放位臵及數(shù)量。液體發(fā)動機由哪些主要部件組成，各局部的主要作用是什么。液體發(fā)動機的組件為推力室、渦輪泵、燃氣發(fā)生器〔或預燃室、火藥起動器、自動器、機架、常平座和管路等。、推力室由噴注器、燃燒室和噴管組成。推動劑組元由噴注器噴入，在燃燒室內進展霧化、蒸發(fā)、混合和燃燒，產生的高溫、高壓燃氣經噴管膨脹后以高速排出，從而產生反作用力。、渦輪泵由氣體渦輪、燃料泵、氧化劑泵以及軸承及密封件等組成，其作用是由渦輪帶動泵，將來自貯箱的推動劑組元進展增壓，按發(fā)動機系統(tǒng)所要求的壓力和流量的推動劑輸送到推力室，同時將局部和全部推動劑組元送入燃氣發(fā)生器和預燃室。、燃氣發(fā)生器承受燃氣發(fā)生器循環(huán)系統(tǒng)的液體火箭發(fā)動機供給驅動渦輪工質，同樣由噴注器、推力室和噴管組成。、渦輪泵啟動裝臵〔氣體啟動裝臵和火藥啟動器〕在泵壓式液體火箭發(fā)動機上廣泛承受。、自動器液體火箭發(fā)動機自動器擔當著液體火箭發(fā)動機的掌握、調整與操作檢測。自動器分為兩類：一類用于發(fā)動機的掌握，如啟動，關機，統(tǒng)稱為掌握閥門；一類用于發(fā)動機的調整，如轉變推力和混合比等，統(tǒng)稱為調整閥門。在液體火箭發(fā)動機上，自動器的應用格外多，而且多在高壓、高溫順超低溫、腐蝕性介質和振動環(huán)境下工作，工作條件惡劣。、機架：機架是向彈〔箭〕傳遞液體火箭發(fā)動機推力的一種構件，又稱推力架或推力構造。、常平座：常平座是傳遞發(fā)動機推力，實現(xiàn)發(fā)動機搖擺的組件。液體發(fā)動機循環(huán)方式分哪幾類，對其特點進展論述?！惨弧抽_式循環(huán)：渦輪燃氣直接排入到四周環(huán)境中，或者排入推力室噴管的下游。燃氣發(fā)生器循環(huán)和抽氣循環(huán)屬開頭循環(huán)。