4  固体火箭发动机结构设计

4.1  燃烧室设计

燃烧室是固体火箭发动机的重要零部件之一，它为推进剂提供了贮存和燃烧的场所。燃烧室内燃气的压强可达几十兆帕，而温度也可高达三千开尔文。在如此环境下，一般金属壳体的强度以及刚度都将大幅降低。为了保证发动机在上述恶劣的工作条件下仍能可靠地工作，燃烧室的设计应该满足如下要求，即燃烧室在上述恶劣工作条件下应有足够的刚度和强度，结构质量轻，与喷管及战斗部的连接可靠性、同轴性好，连接部位的密封性能好等等[28]。

燃烧室的设计任务主要内容包括合理选择结构形式和壳体材料、根据受载情况估算壳体的壁厚和连接螺纹长度、进行强度校核以及壳体的热防护设计等[18]。本章根据给定的主要设计参量，进行了壳体结构选择、估算壳体薄厚、热防护设计等工作。

4.1.1  燃烧室壳体壁厚的计算

通常燃烧室壳体壁厚相比其直径一般很小，因此可将燃烧室当做相同强度的薄壁圆筒来处理。

根据最大应力强度理论，圆筒的最小壁厚为

式中：为圆筒的平均直径；为壳体内的最大工作压力；为压力波动系数，通常取；为材料的许用应力；为焊缝强度系数，一般取。

考虑到筒体加工时的尺寸偏差、材料的厚度偏差以及热处理引起的烧蚀等，筒体的名义壁厚为

对于机械加工制造的筒体，

式中：分别表示筒体的外径公差、内径公差和壁厚差。在此，取正公差，而取负公差[29~30]。

4.1.2  封头壁厚的估算

常用的封头有球形、碟形、椭球形和平板形封头等。以强度为标准，承受强度最好的是球形封头，椭球形、碟形封头次之，平板形封头所能承受的强度最小。由于碟形封头加工性能较好，本次设计选用碟形封头。

碟形封头由三部分组成：第一部分是以为半径的球面；第二部分是以为半径的过渡圆环面；第三部分是高度为的圆筒段，如图4.1所示。

图4.1 碟形封头

带椭球形封头的筒体与带碟形封头的筒体近似强度条件是

若已知椭球形封头的椭圆比，可求出与它等强度、等深度的碟形封头的几何尺寸。在本次设计的发动机封头中，采用与典型椭球形封头（m = 2）的等强度、等深度的碟形封头[18]。

4.1.3  连接强度的计算

4.1.3.1  连接部位的受力分析

喷管与筒体的连接部位所受的力有：作用于喷管收敛段和扩张段上的燃气压力的轴向合力，喷管、药柱和挡药板的惯性力，以及药柱两端的压差引起的轴向力等。在估算上，可取，为喷管收敛入口段的面积。

在实际工况下，推进剂不可能完全燃烧，尤其是添加铝粉的复合推进剂，其中必定含有金属颗粒以及凝固相物质。实验表明，凝固相物质主要沉积在收敛段下游以及喷管喉部。燃烧室内的燃气以及凝固相物质温度很高，沉积在收敛段下游的凝固相会使材料性能降低，引起耐热材料的烧蚀。所以喷管收敛段要注重对型面的设计，尽可能地壁面燃气和凝聚相对耐热材料的烧蚀，同时要合理选择扩张角，减小凝固相的沉积以及喷管的结构重量。

喷管收敛段的主要几何参数为收敛半角β。β小时，由于喉部直径和燃烧室面积已定，则收敛段长度将增大，从而导致喷管结构重量大，但是此时的烧蚀将减小；β大时，气流在进入喉部时可能远离壁面形成涡流去，不仅降低喷管效率，造成较大的流量损失，同时增加收敛段烧蚀和凝固相沉积，还可能导致扩张段内流场不对称，增大气动偏心。因此，一般取β=30º~60º。