详解固体火箭发动机
详解固体火箭发动机
2010-05-09 20:03:56
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谁控制了太空,谁就控制了地球! 谁控制了太空,谁就控制了未来!
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。
固体发动机的水平与复合材料工业和高分子化学材料工业的科技水平密不可分,可以说是一个国家科技水平的缩影。
固体火箭发动机结构图(潜入式全轴柔性摆动喷管)
中、远程以上的固体弹道导弹通常由两级以上火箭发动机和前端系统(包括仪器舱、弹头、整流罩等)构成。为了给弹头提供较为xx的关机点速度,有些末级固体发动机(如美国的民兵3导弹的第三级和我国巨浪-1的第二级)的前封头装有推力终止装置,接到关机指令,推力终止孔打开进行反向喷射,燃烧室迅速泄压,火焰熄灭,推力也就终止了,同时反向喷射提供了末级分离的推力;先进的弹道导弹(如美国的三叉戟C4/D5,法国的M4/M45/M51)则采用优化控制飞行弹道和姿势(即所谓能量管理)使推进剂耗尽关机的方法。分导式多弹头(MIRV)导弹除多个主级发动机外还有一个末助推级(PBV,又称弹头母舱,由姿控系统、仪器舱及弹头支承/释放平台构成,一些先进单弹头导弹也有PBV),姿控发动机xx调整速度和姿势并逐个投放多弹头和诱饵对多个目标实施打击。民兵3和“和平卫士”MX使用的是液体燃料PBV,可以多次重启;三叉戟C4/D5使用固体燃料燃气发生器PBV;“白杨”(SS-25)、“白杨-M”(SS-27)、“侏儒”等单弹头导弹也使用了PBV。
民兵3导弹第三级发动机的6个推力终止孔喷射示意图
民兵3导弹的末助推级(PBV)
民兵3导弹的末助推级(PBV)
“和平卫士”的第四级(PBV)
固体发动机壳体
对固体战略导弹弹道进行仿真计算,结果表明:一、二、三级发动机的结构重量每减轻1千克,导弹射程相应地增加0.6、3 、16千米左右,所以对壳体特别是末级发动机壳体进行结构减重是战略导弹总体设计师孜孜以求的目标,而达到目标最重要的技术途径之一就是采用先进的材料。固体发动机壳体不仅要承受飞行过程的气动压力和气动加热,作为燃烧室还要承受高温高压燃气的作用,同时作为导弹的主要结构件必须承受各种机械应力作用,因此必须使用高强度/刚度、韧性好、耐高温、密度小的轻质材料。
固体发动机壳体使用的材料经过了从高强度金属(超高强度钢、钛合金等)到先进复合材料的演变。从50年代末美国北极星A2潜射导弹第二级发动机壳体使用{dy}代复合材料玻璃钢开始,固体发动机壳体使用的复合材料经过如下演变过程:玻璃纤维(即玻璃钢)/环氧树脂→芳纶(包括凯芙拉)纤维/环氧树脂→碳纤维(石墨)/环氧树脂。玻璃纤维/环氧壳体比钢壳体减轻20~50%,而凯芙拉/环氧壳体又比玻璃钢壳体减重35%,高强度中等模量的IM7碳纤维/环氧壳体比凯芙拉/环氧壳体减轻25~30%,而且还不断有新的更高性能的碳纤维增强材料和树脂基体材料出现。
固体发动机壳体设计有一个称为容器特性系数(或壳体效率)的重要性能参数,容器特性系数=PV/W,单位为km,P是爆破压强,V是壳体容积,W是壳体重量;超高强度钢的壳体效率为5~8km,钛合金为6.7~11km,芳纶/环氧为15-33km,碳纤维/环氧高达38~43km。
衡量固体发动机的性能还使用“质量比”的概念,即推进剂总重量与发动机总重量之比。
复合材料成型工艺有多种,如铺层层叠成型工艺、喷涂成型工艺、缠绕成型工艺、拉挤成型工艺等。制造固体发动机复合材料壳体通常使用缠绕成型工艺,由微机控制的自动缠绕机将浸过树脂胶液的连续纤维粗纱或布带按照一定规律缠绕到与壳体内腔尺寸相同的芯模上,然后加热固化、脱模,即可制成壳体。如果由于基体材料(树脂)的耐热性不高,壳体外层还必须增加热防护涂层以抵御气动加热。
美国的“民兵3”导弹一级发动机壳体使用超高强度钢,质量比0.90,二级为钛合金,三级为玻璃钢;“和平卫士”MX的所有三级发动机均使用K-49凯夫拉纤维/环氧树脂,其中一级的质量比为0.92;侏儒的所有三级发动机均使用IM7碳纤维/环氧,一级的质量比0.93;三叉戟C4所有三级发动机均使用K-49凯夫拉纤维/环氧;三叉戟D5一、二级使用IM7碳纤维/环氧,第三级K-49凯夫拉纤维/环氧,一级的质量比0.944。
俄罗斯的SS-24、SS-25的一、二级使用玻璃钢,第三级使用APMOC芳伦纤维/环氧,质量比均大于0.90;SS-27很可能所有三级都使用芳伦纤维/环氧。
法国的M4/45潜射导弹一级使用超高强度钢,二级为玻璃钢,三级为凯夫拉纤维/环氧,M51将全面使用碳纤维/环氧。
我国的巨浪-1两级均使用高强度钢;据公开资料显示,我国已能制造大直径芳伦纤维/环氧壳体,但高性能碳纤维增强材料及工艺技术与国外还有较
法国M51导弹:轨道式缠绕机正在对壳体进行环形缠绕
测试中的M51导弹一级发动机壳体
民兵3的{dy}级发动机
缠绕好的壳体
固体推进剂
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。
双基推进剂 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。
复合推进剂 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;改善燃烧性能的燃烧稳定剂;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{dy}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和硝化甘油的比例,加入高能量固体组分,包括氧化剂(高氯酸胺AP,高能xx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(如聚乙交酯PGA)、聚氨酯(如聚乙二醇PEG)、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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