【簡(jiǎn)介：】一、設(shè)計(jì)要求
1、擬設(shè)計(jì)一臺(tái)總沖(It)在600N-S左右的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)
2、發(fā)動(dòng)機(jī)既定采用KNDX為燃料
3、發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)推力曲線應(yīng)盡量平緩，推力均勻
4、發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮將來(lái)發(fā)
一、設(shè)計(jì)要求
1、擬設(shè)計(jì)一臺(tái)總沖(It)在600N-S左右的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)
2、發(fā)動(dòng)機(jī)既定采用KNDX為燃料
3、發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)推力曲線應(yīng)盡量平緩，推力均勻
4、發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮將來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)用于可導(dǎo)火箭的兼容性
5、發(fā)動(dòng)機(jī)要考慮與開(kāi)傘設(shè)備的兼容性
二、基本參數(shù)估算
1、推進(jìn)劑用量估算
KNDX實(shí)際密度取1.8 g/ 比沖(Isp)試取120S
則所需推進(jìn)劑質(zhì)量為
M= = 600/9.8*120=0.5102kg=510.2g
推進(jìn)劑體積：
V=510.2/1.8=283.4
2、發(fā)動(dòng)機(jī)幾何尺寸估算
初步假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)徑比為5：1
燃料內(nèi)孔15mm
則發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸應(yīng)滿足
V=1/4∏（ - ）H （1）
H/Di=5 （2）
其中V ——燃料體積
Di——發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)徑
d ——燃料內(nèi)孔直徑
H ——發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度
將數(shù)據(jù)代入式（1）（2）計(jì)算得(求解一個(gè)一元三次方程)
發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)徑 Di=43.45mm
發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度 H=217.25mm
三、參數(shù)計(jì)算
上面的計(jì)算結(jié)果，僅僅是為了明確發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)格的大方向，還不能滿足火箭設(shè)計(jì)的需要，因此，在下面的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要是圍繞上面得出的結(jié)果，以SRM計(jì)算軟件為平臺(tái)，確定發(fā)動(dòng)機(jī)、藥柱的具體尺寸。
1、發(fā)動(dòng)機(jī)、藥柱基本尺寸的確定
將上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行圓整代入SRM，同時(shí)細(xì)微調(diào)整藥柱尺寸、數(shù)量，使壓力曲線平緩，在本方案中，確定藥柱方案如下：
藥柱外徑：42mm
藥柱內(nèi)徑：15mm
單段藥柱長(zhǎng)度：70mm
藥柱數(shù)量：3
噴燃比變化如右圖1：
圖1
發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)徑：45mm（計(jì)算時(shí)應(yīng)使用42mm，留有3mm做隔熱層）
喉口直徑初步選擇:10 mm 初始噴然比218
壓力曲線如右圖2：
最大壓力：4.6MPa
燃燒時(shí)間：1.352S
最大推力：498N
平均推力：424N
總沖:618 NS
圖2
下面是SRM計(jì)算的截圖：
2、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)
（1）發(fā)動(dòng)機(jī)壁厚計(jì)算
由上面的計(jì)算結(jié)果知：
發(fā)動(dòng)機(jī)最大工作壓力 Pmax=4.6Mpa
壁厚由以下公式進(jìn)行計(jì)算:
δ= ( - 1) （3）
其中： 為材料在相應(yīng)溫度下的許用應(yīng)力，單位MPa。
對(duì)于鋁合金 = 0.2/k，K為安全系數(shù)取1.1~1.25。
Di為發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)徑，單位mm。
δ為發(fā)動(dòng)機(jī)理論壁厚，單位mm。
= Pmax×Kp×Kt （4）
Kp——由于零件裝配誤差產(chǎn)生的壓力跳動(dòng)系數(shù)
Kt——環(huán)境溫度分別為50℃和20℃時(shí)燃?xì)庾畲髩毫Φ谋戎怠?br>Kp取值為1.1~1.2，Kt的數(shù)值一般由實(shí)驗(yàn)得出，在此本人根據(jù)相關(guān)資料保守取值1.5。
本設(shè)計(jì)中，采用LY12(現(xiàn)在叫2A12，相當(dāng)于2024)鋁合金作為發(fā)動(dòng)機(jī)殼體材料，雖然LY12并不是最好的發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金材料，但是LY12管材市場(chǎng)上較容易買到，相關(guān)數(shù)據(jù)也較為充足，所以在此予以采用。
LY12鋁合金管材在300攝氏度時(shí)的 0.2資料并不確切（機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)上棒材相應(yīng)數(shù)據(jù)為115Mpa），在此亦根據(jù)本人經(jīng)驗(yàn)，短期強(qiáng)度姑且定為110Mpa。
將各數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算：
= Pmax×Kp×Kt = 4.6×1.1×1.5 = 7.59Mpa
= 0.2/k=110/1.2=91.6 Mpa
δ= ( - 1)= ( - 1)=1.684mm
則發(fā)動(dòng)機(jī)外徑Do=1.684*2+45=48.368mm
此外，由于殼體螺紋加工余量、加工精度、標(biāo)準(zhǔn)鋁管系列等問(wèn)題，發(fā)動(dòng)機(jī)外徑定為52mm。
（2）連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
首先，在進(jìn)行連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)草圖的繪制。
本設(shè)計(jì)中噴管及堵頭采用螺紋連接的方式與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體固定，所需螺紋長(zhǎng)度計(jì)算如下：
在發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程中，連接螺紋同時(shí)受到彎矩、剪切應(yīng)力、及擠壓應(yīng)力的共同作用,其中，彎矩是限制螺紋長(zhǎng)度的主要因素，所以在此以彎矩校核螺紋長(zhǎng)度。
A、 彎矩校核
nб=0.721 (4)
nб——保證抗彎強(qiáng)度需要的螺紋圈數(shù)
d2 ——螺紋中徑
t ——螺距
——抗彎許用應(yīng)力
關(guān)于鋁合金的抗彎許用應(yīng)力，個(gè)人查閱了許多資料也未獲得，僅有下面的只言片語(yǔ)“鋁合金抗彎強(qiáng)度級(jí)低，為10~35Mpa”因此這里的螺紋長(zhǎng)度只能估算，然后試驗(yàn)驗(yàn)證了。
本發(fā)動(dòng)機(jī)采用普通細(xì)牙螺紋，螺距1.5mm 、螺紋大徑47mm、中徑46.026mm
nб=0.721 = 0.721 = 6.8
同樣，由于加工公差，螺紋工藝，高溫影響等因素，真正的螺紋圈數(shù)應(yīng)比計(jì)算值取得較大，由下式計(jì)算。
N= 1.5nб+ 4 =1.5*6.8+4=14.2圈
螺紋長(zhǎng)度L=Nt=14.2*1.5=21.3mm 取20mm
（3）堵頭厚度計(jì)算
堵頭厚度按平板封頭進(jìn)行計(jì)算
δ=D (5)
δ——平板封頭厚度(mm)
D——計(jì)算直徑(mm)
K——封頭系數(shù) (在此可取0.3)
——封頭材料許用應(yīng)力(Mpa)
代入數(shù)值計(jì)算：
δ=45 = 8.11mm
δ=45 = 7.09mm
上式中的計(jì)算值，對(duì)于噴管，按45#鋼（或304）不銹鋼在高溫下取70Mpa進(jìn)行計(jì)算的。噴管本身為椎體結(jié)構(gòu)，受力較平板要好，且噴管處的壓力較燃燒室內(nèi)小很多，因此個(gè)人認(rèn)為，噴管喉口以前部分，厚度在5mm左右即可。
對(duì)于上堵頭，為平板結(jié)構(gòu)，為降低發(fā)動(dòng)機(jī)重量，采用鋁合金，需要有良好的隔熱措施，計(jì)算厚度不小于7.1mm。
至此，發(fā)動(dòng)機(jī)整體設(shè)計(jì)完畢，發(fā)動(dòng)機(jī)的細(xì)節(jié)在此就不做更多的說(shuō)明，結(jié)構(gòu)請(qǐng)參見(jiàn)附件圖紙。
