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固体火箭发动机

归档日期:06-29       文本归类:火箭发动机      文章编辑:爱尚语录

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  固体火箭发动机(Solid propellant rocket engine)使用固体推进剂的化学火箭发动机。又称固体推进剂火箭发动机。固体推进剂点燃后在燃烧室中燃烧,化学能转化为热能,生产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,以高速从喷管排出而产生推力。

  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柱。

  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。

  固体火箭发动机与液体火箭发动机相比较,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。

  固体火箭发动机主要由壳体、固体推进剂喷管组件、点火装置等四部分组成,其中固体推进剂配方及成型工艺、喷管设计及采用材料与制造工艺、壳体材料及制造工艺是最为关键的环节,直接影响固体发动机的性能。固体推进剂配方各种组分的混合物可以用压伸成型工艺预制成药柱再装填到壳体内,也可以直接在壳体内进行贴壁浇铸。壳体直接用作燃烧室。喷管用于超音速排出燃气,产生推力;喷管组件还要有推力矢量控制(TVC)系统来控制导弹的飞行姿势。点火装置在点火指令控制下解除安全保险并点燃发火药产生高温高压火焰用于点燃壳体内的推进剂。

  固体火箭发动机属于化学火箭发动机,用固态物质(能源和工质)作为推进剂固体推进剂点燃后在燃烧室中燃烧,产生高温高压的燃气,即把化学能转化为热能;燃气经喷管膨胀加速,热能转化为动能,以极高的速度从喷管排出从而产生推力推动导弹向前飞行。

  固体推进剂是由氧化剂、燃料(可燃剂)和其他添加剂组成的固态混合物,按配方组分性质可分为单基推进剂双基推进剂复合推进剂、改性双基推进剂等;按质地的均匀性分为均

  质推进剂(如单基、双基推进剂)和异质推进剂(如复合推进剂和改性双基推进剂);按能量水平分为高能、中能、低能推进剂比冲大于2450牛·秒/千克(即250秒)为高能,2255牛·秒/千克(即230秒)到2450牛·秒/千克为中能,小于2255牛·秒/千克为低能;按特征信号分为有烟、微烟、无烟推进剂固体推进剂分类单基推进剂 Simple Base propellant由单一化合物(如硝化纤维素,即硝化棉,简称NC)组成,它的分子结构中包含可燃剂和氧化剂,溶于挥发性溶剂中,经过膨润塑化、压伸成型,除去溶剂即可。单基推进剂由于能量水平太低,现代固体发动机不再使用。

  Double Base Propellant理论比冲为170~220秒(1660~2150牛·秒/千克),密度1.55~1.65克/立方厘米 。危险等级1.3级。双基推进剂主要由硝化纤维素硝化甘油(NG)和一些添加剂组成,两种主要成分的分子结构中都含有可燃剂和氧化剂。硝化纤维部分溶于硝化甘油,加入挥发性或不挥发溶剂及其它添加剂,经溶解塑化,成为均相物体,使用压伸成型(或称挤压成型)工艺即可制成不同形状药柱。双基推进剂的优点是药柱质地均匀,结构均匀,再现性好;良好的燃烧性能,燃烧速度压力很小;工艺性能好;具有低特征信号,排气少烟或无烟;常温下有较好的安定性、力学性能和抗老化性能;原料来源广泛,经济性好。缺点是能量水平和密度偏低,高、低温下力学性能变差。双基推进剂主要用于小型固体燃气发生器。

  Composite Propellant理论比冲为225~265秒(2200~2600牛·秒/千克),密度1.65~1.80克/立方厘米 。危险等级1.3级。复合推进剂使用单独的可燃剂和氧化剂材料,以液态高分子聚合物粘合剂作为燃料,添加结晶状的氧化剂固体填料和其它添加剂,融合凝固成多相物体。为提高能量和密度还可加入一些粉末状轻金属材料作为可燃剂,如铝粉(Al)。复合推进剂通常以粘合剂的化学名称来命名。氧化剂通常占推进剂总重量的60~90%,许多无机化学品可作为氧化剂,如高氯酸盐类(高氯酸钾高氯酸胺、高氯酸锂),硝酸酯类(硝酸胺、硝酸钾、,硝酸钠),现在使用最多的是含氧量较高的高氯酸胺(AP,又称过氯酸胺)。高分子聚合物既用作可燃剂又作为粘合剂,常用的有聚硫橡胶聚氨酯(PU)、聚丁二烯丙烯腈(PBAN)、端羧基聚丁二烯(CTPB)、端羟基聚丁二烯HTPB)、端羟基聚醚(HTPE)、聚氯乙烯等类。其他添加剂一般有:调节燃烧速度的燃速调节剂;改善燃烧性能燃烧稳定剂;比用基本的粘合剂更好地改善力学性能的增塑剂;降低机械感度的安定剂;改善储存性能的防老化剂;改善工艺性能的稀释剂、润湿剂、固化剂和固化催化剂等类。除具有热塑性的聚乙烯类推进剂可使用压伸成型工艺外,一般都使用浇铸法制造,工艺简单,适宜于制造各种尺寸的药柱复合推进剂综合性能良好,使用温度范围较宽,能量较高,力学性能较好,广泛用于各种类型的固体火箭发动机,尤其是大型火箭发动机。1942年美国研制出了沥青高氯酸钾复合推进剂,40年代末出现了第一代复合推进剂聚硫橡胶推进剂,现在常用的有PBAN和HTPB推进剂。民兵3和航天飞机固体助推器采用PBAN推进剂,“和平卫士”MX的一、二级使用HTPB推进剂,法国的M4使用CTPB推进剂,我国的巨浪-1也使用了CTPB复合推进剂。 改性双基推进剂包括复合改性双基推进剂CMDB)和交联改性双基推进剂(简称XLDB)两类。理论比冲为260~270秒(2550~2646牛·秒/千克),密度1.75~1.80克/立方厘米 。危险等级1.1级。在双基推进剂的基础上大幅降低基本组分硝化纤维素硝化甘油的比例,加入高能量固体组分,包括氧化剂(高氯酸胺AP,高能炸药黑索金RDX]或奥克托金[HMX]等)和可燃剂(铝粉等)。硝化纤维素(含氮量12%左右)被硝化甘油塑化作为粘合剂,或是硝化纤维素和硝化甘油双基母体作粘合剂,硝化甘油还作为增塑剂,再加入一些添加剂,混合后使用压伸成型或浇铸成型工艺制成药柱,这就是复合改性双基推进剂CMDB)。 在CMDB配方基础上加入高分子化合物作为交联剂,它内含的活性基团与硝化纤维素上残留(未酯化)的羟基发生化学反应生成预聚物,预聚物的大分子主链间生成化学键,交联成网状结构,预聚物作为粘合剂可以大幅改善推进剂的力学性能,这类推进剂就被称为交联改性双基推进剂(XLDB)。主要交联剂有异氰酸酯(如六亚甲基二异氰酸酯HDI、甲苯二异氰酸酯TDI)、聚酯(如)、聚氨酯(如)、端羟基聚丁二烯丙烯酸酯等。 改性双基推进剂的能量水平高于复合推进剂,广泛用于各种战略、战术导弹。美国的“三叉戟C4”潜射战略导弹的所有三级发动机都使用了XLDB推进剂,称为XLDB-70,它的配方中固体填料达到70%(其中43%HMX / 8% AP / 19% Al),理论比冲2646牛·秒/千克。

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