固体火箭发动机的基本结构

固体火箭发动机主要由固体火箭推进剂装药、 燃烧室、 喷管和点火装置等部件组成， 如图1-3 （a） 所示。

1. 固体推进剂装药

常用的固体推进剂有三类， 即双基推进剂、 复合推进剂和复合改性双基推进剂。 固体推进剂中包含有燃烧剂和氧化剂， 自身能够形成封闭的化学反应系统， 是固体火箭发动机的能源和工质源。 固体推进剂以药柱 （装药） 的形式直接放置在发动机的燃烧室中， 药柱可以是单根， 也可以是多根； 可以在燃烧室中自由装填， 也可以贴壁浇注与燃烧室黏结在一起。 对于自由装填情况， 通常需要一些支撑装置 （如挡药板、 固药板等） 使药柱固定。与液体火箭发动机相比， 固体火箭发动机的推力控制和调节是非常困难的， 在设计中通常不考虑工作过程参数的调节问题， 发动机的推力方案 （推力变化规律） 需要通过设计特定形状的装药来实现。 因此， 装药的几何形状和尺寸必须保证其燃烧面积变化规律符合预期的推力变化要求。 为了达到控制燃烧面积变化规律的目的， 有时需要用阻燃材料对装药的某些部位进行包覆， 称为包覆层。 图1-7给出了一些固体火箭发动机常见装药药型。

2. 燃烧室

燃烧室是固体火箭发动机的主体， 用来装填推进剂装药和联结其他部件， 也是装药燃烧的工作室。 因此， 燃烧室不仅要有一定的容积， 而且还需要具有对高温、 高压气体的承载能力。 燃烧室的形状与装药结构有密切关系， 通常都是长圆筒形的， 也有制成其他形状的， 如球形 （图1-8） 或椭球形。 燃烧室是整个飞行器受力结构的一部分， 大多采用高强度的金属材料制造， 如各种合金钢、 铝合金或钛合金等， 也有采用玻璃纤维缠绕加树脂成型的玻璃钢结构的， 以大幅度减轻燃烧室壳体的质量。

固体火箭发动机通常不使用液体冷却剂， 为了防止壳体材料因过热而破坏， 必须采取热防护措施。 通常是在壳体内表面粘贴绝热层或采用喷涂法将厚浆涂料喷涂在壳体内表面使其成型为绝热层。 为了改善绝热层 （或壳体） 与推进剂的黏结性能， 一般在推进剂与绝热层（或壳体） 之间加装衬层作为过渡层。

图1－7 固体火箭发动机常见装药药型

（a） 端面燃烧装药； （b） 沿内表面燃烧的圆管型装药； （c） 套管式装药； （d） 星型装药；

（e） 车轮型装药； （f） 管状开槽型装药； （g） 锥柱型装药

图1－8 典型的球形燃烧室固体火箭发动机

3. 喷管

喷管是燃烧室高温高压燃气的出口， 是火箭发动机能量转换的一个重要部件， 直接影响发动机的性能。 为了使燃气的流动能够从亚声速加速到超声速， 喷管的截面形状通常是先收敛后扩张的， 称为拉瓦尔喷管， 由收敛段、 喉部和扩张段三部分组成。 中小型火箭多采用最简单的锥形拉瓦尔喷管， 其收敛段和扩张段均为锥形； 工作时间长、 推力大、 质量流率大以及采用高能推进剂的大型火箭一般使用特型拉瓦尔喷管， 扩张段为双圆弧、 抛物线等曲线，其型面需要仔细设计， 以减小能量损失。

喷管的基本功能有两个： 一是通过喷管喷喉的面积大小来控制排出燃气的质量流率， 以达到控制燃烧室内燃气压强的目的； 二是利用先收敛后扩张这种特殊的喷管几何形状使燃烧室内亚声速流动的燃气膨胀加速到超声速， 通过高速喷出产生反作用推力。 另外， 还可以利用喷管控制推力矢量， 达到控制飞行器飞行方向和姿态的目的。 固体火箭发动机的推力矢量控制一般有三种形式： 在喷管扩张段中向燃气流喷入气体或液体， 通过改变喷管内表面的压强分布产生侧向控制力； 在喷管出口截面上安装燃气舵或可旋转的斜切喷口， 通过燃气射流的偏转产生侧向控制力 （图1-9）； 将整个喷管或其一部分做成可摆动或可转动的， 使喷管射流轴线偏转 （图1-10）。 为了进一步减小结构质量， 甚至还可以取消喷管组件， 成为无喷管固体火箭发动机， 这时， 装药药柱通道的燃烧表面起着喷管型面的作用 （图1-11）。

图1－9 产生控制力和控制力矩的装置示意图

（a） 燃气舵； （b） 环形舵； （c） 斜切旋转喷口

图1－10 转动喷管的几种结构方案

图1－11 无喷管固体火箭发动机

在火箭发动机的整个工作过程中， 喷管始终承受着高温、 高压、 高速燃气流的冲刷， 特别是喉部的工作环境十分恶劣， 常发生烧蚀或沉积现象。 烧蚀和沉积会使喷管的局部尺寸改变， 从而影响发动机的性能， 因此， 需要在喷管喉部采用耐高温耐冲刷的材料 （如石墨、钨渗铜等） 作为喉衬， 并在其他内表面采取相应的热防护措施。

4. 点火装置

固体火箭发动机的点火由点火装置来完成， 通常安装在燃烧室的头部 （前置式） 或者喷管座上 （后置式）。 点火装置的作用是提供足够的热量和建立一定的点火压强， 使装药的全部燃烧表面瞬时点燃， 尽早进入稳定燃烧。 点火装置一般由电发火管和点火剂 （烟火剂或黑火药） 组成， 封装在塑料盒或有孔的金属盒中。 通电后， 电发火管点燃点火剂， 产生高温气体和具有一定数量的灼热凝相微粒， 使装药的局部燃烧表面首先点燃， 然后通过火焰传播点燃装药全部燃烧表面。 对于尺寸较大的装药， 可采用小型的点火发动机作为点火装置， 其灼热燃烧产物高速喷出， 迅速到达装药的整个表面， 以确保燃烧表面全面瞬时点燃。

点火装置是火箭发动机中比较容易出现故障的部件， 对其可靠性必须给予足够的重视。一个性能良好的点火装置， 必须能够确保推进剂装药的全部燃烧表面在发动机的整个使用温度范围内都能可靠地点燃， 并在较短的时间内进入预定的稳定燃烧状态， 建立起正常的燃烧室压强。 这就要求点火装置既要防止由于点火能量不足而引起点不着、 过度的点火延迟和断续燃烧， 也要避免由于点火能量过大而形成燃烧室初始压强突升， 增大燃烧室壳体的负荷。