【簡介：】一、設(shè)計要求
1、擬設(shè)計一臺總沖(It)在600N-S左右的固體火箭發(fā)動機
2、發(fā)動機既定采用KNDX為燃料
3、發(fā)動機的設(shè)計推力曲線應盡量平緩，推力均勻
4、發(fā)動機的設(shè)計應考慮將來發(fā)

一、設(shè)計要求
1、擬設(shè)計一臺總沖(It)在600N-S左右的固體火箭發(fā)動機
2、發(fā)動機既定采用KNDX為燃料
3、發(fā)動機的設(shè)計推力曲線應盡量平緩，推力均勻
4、發(fā)動機的設(shè)計應考慮將來發(fā)動機用于可導火箭的兼容性
5、發(fā)動機要考慮與開傘設(shè)備的兼容性

二、基本參數(shù)估算
1、推進劑用量估算
KNDX實際密度取1.8 g/ 比沖(Isp)試取120S
則所需推進劑質(zhì)量為
M= = 600/9.8*120=0.5102kg=510.2g
推進劑體積：
V=510.2/1.8=283.4

2、發(fā)動機幾何尺寸估算
初步假設(shè)發(fā)動機長徑比為5：1
燃料內(nèi)孔15mm

則發(fā)動機尺寸應滿足
V=1/4∏（ - ）H （1）
H/Di=5 （2）

其中V ——燃料體積
Di——發(fā)動機內(nèi)徑
d ——燃料內(nèi)孔直徑
H ——發(fā)動機長度

將數(shù)據(jù)代入式（1）（2）計算得(求解一個一元三次方程)
發(fā)動機內(nèi)徑 Di=43.45mm
發(fā)動機長度 H=217.25mm

三、參數(shù)計算
上面的計算結(jié)果，僅僅是為了明確發(fā)動機規(guī)格的大方向，還不能滿足火箭設(shè)計的需要，因此，在下面的設(shè)計過程中，主要是圍繞上面得出的結(jié)果，以SRM計算軟件為平臺，確定發(fā)動機、藥柱的具體尺寸。

1、發(fā)動機、藥柱基本尺寸的確定
將上述計算結(jié)果進行圓整代入SRM，同時細微調(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
單段藥柱長度：70mm
藥柱數(shù)量：3

噴燃比變化如右圖1：
圖1
發(fā)動機內(nèi)徑：45mm（計算時應使用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
燃燒時間：1.352S
最大推力：498N
平均推力：424N
總沖:618 NS
圖2
下面是SRM計算的截圖：

2、發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)

（1）發(fā)動機壁厚計算
由上面的計算結(jié)果知：
發(fā)動機最大工作壓力 Pmax=4.6Mpa

壁厚由以下公式進行計算:
δ= ( - 1) （3）

其中： 為材料在相應溫度下的許用應力，單位MPa。
對于鋁合金 = 0.2/k，K為安全系數(shù)取1.1~1.25。
Di為發(fā)動機內(nèi)徑，單位mm。
δ為發(fā)動機理論壁厚，單位mm。

= Pmax×Kp×Kt （4）

Kp——由于零件裝配誤差產(chǎn)生的壓力跳動系數(shù)
Kt——環(huán)境溫度分別為50℃和20℃時燃氣最大壓力的比值。
Kp取值為1.1~1.2，Kt的數(shù)值一般由實驗得出，在此本人根據(jù)相關(guān)資料保守取值1.5。
本設(shè)計中，采用LY12(現(xiàn)在叫2A12，相當于2024)鋁合金作為發(fā)動機殼體材料，雖然LY12并不是最好的發(fā)動機鋁合金材料，但是LY12管材市場上較容易買到，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攝氏度時的 0.2資料并不確切（機械設(shè)計手冊上棒材相應數(shù)據(jù)為115Mpa），在此亦根據(jù)本人經(jīng)驗，短期強度姑且定為110Mpa。

將各數(shù)據(jù)代入公式計算：

= 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)動機外徑Do=1.684*2+45=48.368mm
此外，由于殼體螺紋加工余量、加工精度、標準鋁管系列等問題，發(fā)動機外徑定為52mm。

（2）連接結(jié)構(gòu)設(shè)計。
首先，在進行連接結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時，進行發(fā)動機草圖的繪制。
本設(shè)計中噴管及堵頭采用螺紋連接的方式與發(fā)動機殼體固定，所需螺紋長度計算如下：
在發(fā)動機的工作過程中，連接螺紋同時受到彎矩、剪切應力、及擠壓應力的共同作用,其中，彎矩是限制螺紋長度的主要因素，所以在此以彎矩校核螺紋長度。

A、 彎矩校核
nб=0.721 (4)
nб——保證抗彎強度需要的螺紋圈數(shù)
d2 ——螺紋中徑
t ——螺距
——抗彎許用應力

關(guān)于鋁合金的抗彎許用應力，個人查閱了許多資料也未獲得，僅有下面的只言片語“鋁合金抗彎強度級低，為10~35Mpa”因此這里的螺紋長度只能估算，然后試驗驗證了。

本發(fā)動機采用普通細牙螺紋，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)應比計算值取得較大，由下式計算。
N= 1.5nб+ 4 =1.5*6.8+4=14.2圈
螺紋長度L=Nt=14.2*1.5=21.3mm 取20mm

（3）堵頭厚度計算
堵頭厚度按平板封頭進行計算

δ=D (5)

δ——平板封頭厚度(mm)
D——計算直徑(mm)
K——封頭系數(shù) (在此可取0.3)
——封頭材料許用應力(Mpa)

代入數(shù)值計算：

δ=45 = 8.11mm
δ=45 = 7.09mm

上式中的計算值，對于噴管，按45#鋼（或304）不銹鋼在高溫下取70Mpa進行計算的。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，因此個人認為，噴管喉口以前部分，厚度在5mm左右即可。

對于上堵頭，為平板結(jié)構(gòu)，為降低發(fā)動機重量，采用鋁合金，需要有良好的隔熱措施，計算厚度不小于7.1mm。

至此，發(fā)動機整體設(shè)計完畢，發(fā)動機的細節(jié)在此就不做更多的說明，結(jié)構(gòu)請參見附件圖紙。