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2020/2/6固体火箭发动机简图(浇注)1—顶盖;2—点火装置;3—燃烧室壳体;4—药柱;5—底盖;6—喷管;7—石墨衬套;8—堵盖。2020/2/6平时贮存推进剂、点火装置等;工作时密封高温高压气体。燃烧室的用途:在刚度和强度足够时,应尽量减轻质量;燃烧室与战斗部及喷管的连接要可靠,同轴性好;连接部位密封性要好。基本要求:5.1燃烧室设计1231——连接底;2——壳体;3——后封头比强度高2020/2/6焊接结构2)纤维缠绕结构:比强度高,加工复杂、成本高用高强度纤维在芯模上缠绕而成不能加工螺纹,用金属环作为连接件1231——连接底;2——壳体;3——后封头1——金属连接环;2——垫块;3——金属端环;4,8——高硅氧模压封头5——玻璃纤维布;6——隔热层;7——玻璃纤维;9——金属环;10——模压件2020/2/63)卡环连接:同轴性好,装配方便,承压性能差,装配工艺性差。中小口径发动机用的较少。4)不可拆卸连接:焊接工艺简单,密封性好,质量轻,工艺要求高。铆接过盈连接卡环连接结构图2020/2/6(2)燃烧室壳体材料选择基本要求:比强度高;韧性好:不发生脆性破坏,冲击韧性和断裂韧性;加工工艺性好:延伸率、焊接性、热处理性能等;来源广,价格好。2020/2/6种类及特性1)金属:(a)优质碳素钢(b)合金结构钢(c)高强度铝合金2020/2/6种类及特性2)复合材料:各种异性材料基本材料:玻璃纤维碳纤维、硼纤维粘接材料:环氧树脂2020/2/6(3)燃烧室壳体壁厚计算按强度要求确定燃烧室壁的厚度根据燃烧室壁厚作强度校核主要任务燃气压力旋转时离心惯性力运输时振动冲击力弹道上运动的惯性力燃烧室载荷分析2020/2/6尾翼式火箭弹燃烧室壳体壁厚计算忽略外部大气压强忽略切向惯性力、摆动惯性力以及空气动力和力矩忽略燃烧室壳体两端轴向力的差异,认为两端拉力相等壳体为内壁受均布压力的密封容器计算假设:2020/2/6尾翼式火箭弹燃烧室壳体壁厚计算(a)按厚壁圆筒应力分布:222221rrrrpreiemit222221rrrrpreiemir222iemizrrpr——燃烧室壳体内半径;——燃烧室壳体径向距离;——燃烧室壳体外半径;——燃烧室计算压强,其值irrermpCmpmpKp50=1.1~1.2跳动系数pKnbppCeqkCmApp11bk00214050A601301σreσσrtrxσritσ燃烧室壳体应力分布图2020/2/6由上式可知:在r=ri处,、最大,为常量rtzmieietprrrr2222mrpmieizprrr222rzt∴用第四强度理论:222421trrzzt][32224ieemrrrp13minmiieprrrmeieprrr31min或可见:2020/2/6若则minereierrr2/)(由23minemierprr22243ieemrrrp得σreσσrtrxσritσ燃烧室壳体应力分布图2020/2/6(b)按薄壁筒mavtprminmrpmavzprmin2ztzt22421rzt忽略rmemmemprpprp3.222/3/2minmimmimprpprp3.222/3/2minssn/sn=1~1.15,安全系数=0.9~1,焊缝修正系数2020/2/6燃烧室图纸尺寸min2/)(cieDD图图可能不满足强度要求cDDiec21min——强度计算的最小壁厚;——外径的下偏差值;——内径的上偏差值;——内外圆心最大偏心距,通常取eDiDcmin用焊接:mncmin——板材厚度的负公差值;——热处理中所损失的总厚度。mn注意:退刀槽产生应力集中reDe/2δc1ΔcrireriDi/2cΔreδc2riDe/2δc3Di/22/ec燃烧室的壁厚与公差2020/2/6(4)燃烧室壳体强度校核下限为安全性界限上限为强度储备界限安全系数:按薄壁筒:室内最大实际压力壳体破坏压力最大实际载荷破坏载荷mbPP由经验选取avcnbbrp0132min0c壳体初始壁厚n:材料的应变强化指数,由下式计算:nbnE002.02.00.2~5.1E:弹性模量由实验得出的安全系数一般为:2020/2/6(5)连接强度计算将螺纹展开,按悬臂梁考虑,F均分布几圈上受力:剪切、弯矩螺纹受力::可用螺纹中径mpdF4222d表5-4螺纹螺距选择范围弹径(mm)100100~200>200螺距(mm)1.5~22~33~42020/2/621221236bndhPdbdnFhWMmM对中大口径火箭:ddd21223nbhPdmM剪切力:nbPdbdnFm4121——牙根抗弯截面系数b——牙根宽度hbπd1Fnt62dbWnFhM/)(WMM212ddh螺纹展开图2020/2/6三角形螺纹:th325.0tb875.0ntPdmM637.0ntPdm286.0用第三强度理论:223MntPdm7.0tPdnm7.0锯齿形螺纹:th35.02.074.0tb梯形螺纹:25.025.0th13.065.0tb考虑受力不均匀,两端倒角等因素,实际圈:展开长度:45.1nntnl2020/2/6(6)加工精度和强度试验壳体外径公差可选基轴制,内径公差可选基孔制。内外直径尺寸精度可选11~12级;定心部、定位面尺寸精度可选10~11级。螺纹精度可选H6(h6)~H7(h7)级。螺纹对定心部或定位面的不同轴度,可参考同类定性产品选定。螺纹的端面定位面用不垂直度表示。实际用端面单面缝隙。表面粗糙度:定心部和定位面可选=1.6~3.2um其它加工表面可选=3.2~6.4um。内外圆不同轴度,通常用壁厚差来表示。偏心量2/De燃烧室壳体内外径公差及连接同轴度选取原则2020/2/6水压试验:用探伤仪检查表面疵病用x光检查内部夹杂mhPP25.1~1.1sth30壳体强度试验2020/2/6类型:平板、曲面要求:①强度足够,质量轻②密封,隔热性能好③和战斗部、燃烧室壳体谅解同轴性好④结构工艺性好5.1.2连接底设计2020/2/6(1)平板连接底优点:加工简单,轴向长度小缺点:质量大假设:①受力均匀②为周边固支圆薄板应力:mtrpR13822mzpR:受压面积半径trz忽略z按第二强度理论:圆心处trztr22020/2/6对钢材u=0.3边缘处:2234.0RPm234.0RPm243RPumrt243RPmr2268.0RPumtr边缘大于圆心考虑周边并非固支,燃烧室有变形及受热2RPm5.0~33.0mPR2020/2/6(2)曲面连接底优点:壁厚小,质量轻缺点:工艺复杂,轴向长度大类型:椭球形、碟形R或abDiδhHφφ0RR0R0ihHiρρiαbδmpmDpmim4m——椭圆比bRbam//经验公式:KpDpmim2k——形状系数bmk22当m=2时,连接底和燃烧室等强度1.椭球形:组成:半个椭球形+高度为h的圆筒形状如图所示厚度计算公式:2020/2/62.碟形:组成:球冠+过渡圆弧+圆柱形状如图所示碟形与椭球形等强度的条件:两者之间的参数关系:2mRbH11112sin20mm1112111220mmmRR碟形连接底壁厚,按椭球形设计设计方法:先按椭球形设计,求得m、H、然后用上三式确定、、0PRRR02020/2/6内绝热层一般有两种类型:1)对装药自由装填式的发动机由于燃气直接与燃烧室壳体内壁接触,因此要涂耐热绝热层;耐热绝热涂料一般由耐热材料、粘结剂和工艺辅助剂等组成。2)而对铸装式发动机则是消融绝热层,它是通过绝热层材料的相变(熔化、蒸发和升华)和高温分解吸收燃气传递来的大量热量而达到绝热作用的。消融绝热层是以石棉、二氧化硅和碳黑等作填料,以丁腈橡胶(NBR)、丁苯橡胶(SBR)、丁羧橡胶(CTPB)和丁丙橡胶(PBAA)以及酚醛树脂、苯胺树脂和糠酮树脂-丁腈橡胶等作粘结剂。5.1.3燃烧室内壁的隔热与防护2020/2/6由燃气热能和压力势能转换成流动动能作用:(1)工作可靠,耐高温高压气流冲刷与烧蚀;(2)效率高,摩擦、散热、扩散损失小;(3)推力偏心小;(4)质量轻;(5)工艺性好。要求:结构选择、尺寸设计、热防护设计任务:5.2喷管设计2020/2/6(1)整体式和组合式:按零件个数划分(2)单喷管与多喷管:按喷口数(3)简单喷管和复合喷管:按制造材料(4)锥形与特型:按内形型面(5)潜入式喷管(6)可调节喷管(a)可换喷管(b)可调喷管αααe5.2.1喷管结构形式选择锥形喷管与特型喷管图前端喷气多喷管结构图2020/2/6设计任务:①确定内表面母线形状及尺寸②喉部直径组成:收敛段、临界段、扩张段(1)锥形喷管型面设计特点:形状简单、加工方便,但扩张损失大1.收敛段:气流速度由低亚音速变为音速设计:母线形状为直线直线+过渡圆弧收敛半角:ββ小:气流在喉部均匀,但速度、质量大β大:在喉部形成涡流区,增加喉部烧蚀及固体物沉积,影响扩张段气流,形成气动偏心β=30°~50°5.2.2喷管型面设计曲线收敛段2020/2/62.喉部:气流速度为音速,受冲刷严重喉部直径:neqbptpxfaAA10ttAd42/ttdR参数:R1,R2Lt:圆柱段长度对小喷管为加工方便:tRR)2~1(1tRR)2~04.1(2ttdL)3.0~1.0(021RR喷管喉部形状2020/2/63.扩张段:由音速到高超音速设计参数:扩张半角、扩张比一般2=12°~30°0PACFtFP(1)扩张半角大:扩张损失大大,小小:扩张段长,摩擦及散热损失大,质量大2/cos1(2)扩张比teedd0010112ppppppkkCaeekkeF当时,FeC2e当时,FeC5.2e一般在高空使用5.2~0.2e0.3~5.2e2020/2/6(2)特型喷管型面设计特型:在扩张段母线为曲线,且与气流流线基本重合优点:扩张损失小理想状态:出口截面扩张角,但较小时对推力贡献不大一般:初始扩张角20°~26°12°曲面母线确定方法:1.特征线法:精确计算法当dt、de、Le已知时,由计算气体动力学的特征线或多重网格法,可得到扩张段内的气体流线,用最外边的一条流线作为母线。优点:效率高、气动偏心小缺点:计算过程复杂,工作量大,型面加工困难(可用数控机床)0eee2020/2/62.双圆弧法:扩张段母线由两个圆弧组成设计参数:小圆弧半径R出口扩张半角大圆弧半径R0大圆弧圆心坐标要求:小圆弧圆心在喉部断面上,两圆弧相切设计方法:1)给定
本文标题:_固体火箭发动机结构
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