基本介紹
- 中文名：固體火箭發動機
- 外文名：Solid propellant rocket engine
- 屬於：化學火箭發動機
- 承受溫度：2500～4000度
簡介,組成,原理,固體推進劑,雙基推進劑,複合推進劑,
簡介
固體火箭發動機由藥柱、燃燒室、噴管組件和點火裝置等組成。藥柱是由推進劑與少量添加劑製成的中空圓柱體（中空部分為燃燒面，其橫截面形狀有圓形、星形等）。藥柱置於燃燒室（一般即為發動機殼體）中。在推進劑燃燒時，燃燒室須承受2500～3500度的高溫和102～2×107帕的高壓力，所以須用高強度合金鋼、鈦合金或複合材料製造，並在藥柱與燃燒內壁間裝備隔熱襯。
結構圖
結構圖點火裝置用於點燃藥柱，通常由電發火管和火藥盒（裝黑火藥或煙火劑）組成。通電後由電熱絲點燃黑火藥，再由黑火藥點火燃藥柱。
噴管除使燃氣膨脹加速產生推力外，為了控制推力方向，常與推力向量控制系統組成噴管組件。該系統能改變燃氣噴射角度，從而實現推力方向的改變。
藥柱燃燒完畢，發動機便停止工作。
固體火箭發動機與液體火箭發動機相比較，工作時間短，加速度大導致推力不易控制，重複起動困難，從而不利於載人飛行。
組成
固體火箭發動機主要由殼體、固體推進劑、噴管組件、點火裝置等四部分組成，其中固體推進劑配方及成型工藝、噴管設計及採用材料與製造工藝、殼體材料及製造工藝是最為關鍵的環節，直接影響固體發動機的性能。固體推進劑配方各種組分的混合物可以用壓伸成型工藝預製成藥柱再裝填到殼體內，也可以直接在殼體內進行貼壁澆鑄。殼體直接用作燃燒室。噴管用於超音速排出燃氣，產生推力；噴管組件還要有推力矢量控制（TVC）系統來控制飛彈的飛行姿勢。點火裝置在點火指令控制下解除安全保險並點燃發火藥產生高溫高壓火焰用於點燃殼體內的推進劑。
原理
固體火箭發動機屬於化學火箭發動機，用固態物質（能源和工質）作為推進劑。固體推進劑點燃後在燃燒室中燃燒，產生高溫高壓的燃氣，即把化學能轉化為熱能；燃氣經噴管膨脹加速，熱能轉化為動能，以極高的速度從噴管排出從而產生推力推動飛彈向前飛行。
固體推進劑
固體推進劑是由氧化劑、燃料（可燃劑）和其他添加劑組成的固態混合物，按配方組分性質可分為單基推進劑、雙基推進劑、複合推進劑、改性雙基推進劑等；按質地的均勻性分為均質推進劑（如單基、雙基推進劑）和異質推進劑（如複合推進劑和改性雙基推進劑）；按能量水平分為高能、中能、低能推進劑，比沖大於2450牛·秒/千克（即250秒）為高能，2255牛·秒/千克（即230秒）到2450牛·秒/千克為中能，小於2255牛·秒/千克為低能；按特徵信號分為有煙、微煙、無煙推進劑。 固體推進劑分類單基推進劑 Simple Base propellant由單一化合物（如硝化纖維素，即硝化棉，簡稱NC）組成，它的分子結構中包含可燃劑和氧化劑，溶於揮發性溶劑中，經過膨潤、塑化、壓伸成型，除去溶劑即可。單基推進劑由於能量水平太低，現代固體發動機不再使用。
HICT-450固體火箭發動機無損檢測自動化系統
HICT-450固體火箭發動機無損檢測自動化系統雙基推進劑
Double Base Propellant理論比沖為170～220秒（1660~2150牛·秒/千克），密度1.55~1.65克/立方厘米 。危險等級1.3級。雙基推進劑主要由硝化纖維素、硝化甘油（NG）和一些添加劑組成，兩種主要成分的分子結構中都含有可燃劑和氧化劑。硝化纖維部分溶於硝化甘油，加入揮發性或不揮發溶劑及其它添加劑，經溶解塑化，成為均相物體，使用壓伸成型（或稱擠壓成型）工藝即可製成不同形狀藥柱。雙基推進劑的優點是藥柱質地均勻，結構均勻，再現性好；良好的燃燒性能，燃燒速度壓力很小；工藝性能好；具有低特徵信號，排氣少煙或無煙；常溫下有較好的安定性、力學性能和抗老化性能；原料來源廣泛，經濟性好。缺點是能量水平和密度偏低，高、低溫下力學性能變差。雙基推進劑主要用於小型固體燃氣發生器。
複合推進劑
Composite Propellant理論比沖為225～265秒（2200~2600牛·秒/千克），密度1.65~1.80克/立方厘米 。危險等級1.3級。複合推進劑使用單獨的可燃劑和氧化劑材料，以液態高分子聚合物粘合劑作為燃料，添加結晶狀的氧化劑固體填料和其它添加劑，融合凝固成多相物體。為提高能量和密度還可加入一些粉末狀輕金屬材料作為可燃劑，如鋁粉（Al）。複合推進劑通常以粘合劑的化學名稱來命名。氧化劑通常占推進劑總重量的60~90%，許多無機化學品可作為氧化劑，如高氯酸鹽類（高氯酸鉀、高氯酸胺、高氯酸鋰），硝酸酯類（硝酸胺、硝酸鉀、，硝酸鈉），現在使用最多的是含氧量較高的高氯酸胺（AP，又稱過氯酸胺）。高分子聚合物既用作可燃劑又作為粘合劑，常用的有聚硫橡膠、聚氨酯（PU）、聚丁二烯-丙烯腈（PBAN）、端羧基聚丁二烯(CTPB)、端羥基聚丁二烯（HTPB）、端羥基聚醚(HTPE)、聚氯乙烯等類。其他添加劑一般有：調節燃燒速度的燃速調節劑；改善燃燒性能的燃燒穩定劑；比用基本的粘合劑更好地改善力學性能的增塑劑；降低機械感度的安定劑；改善儲存性能的防老化劑；改善工藝性能的稀釋劑、潤濕劑、固化劑和固化催化劑等類。除具有熱塑性的聚乙烯類推進劑可使用壓伸成型工藝外，一般都使用澆鑄法製造，工藝簡單，適宜於製造各種尺寸的藥柱。複合推進劑綜合性能良好，使用溫度範圍較寬，能量較高，力學性能較好，廣泛用於各種類型的固體火箭發動機，尤其是大型火箭發動機。1942年美國研製出了瀝青高氯酸鉀複合推進劑，40年代末出現了第一代複合推進劑聚硫橡膠推進劑，現在常用的有PBAN和HTPB推進劑。民兵3和太空梭固體助推器採用PBAN推進劑，“和平衛士”MX的一、二級使用HTPB推進劑，法國的M4使用CTPB推進劑，我國的巨浪-1也使用了CTPB複合推進劑。 改性雙基推進劑包括複合改性雙基推進劑（CMDB）和交聯改性雙基推進劑（簡稱XLDB）兩類。理論比沖為260～270秒（2550~2646牛·秒/千克），密度1.75~1.80克/立方厘米 。危險等級1.1級。在雙基推進劑的基礎上大幅降低基本組分硝化纖維素和硝化甘油的比例，加入高能量固體組分，包括氧化劑（高氯酸胺AP，高能炸藥黑索金[RDX]或奧克托金[HMX]等）和可燃劑（鋁粉等）。硝化纖維素（含氮量12%左右）被硝化甘油塑化作為粘合劑，或是硝化纖維素和硝化甘油雙基母體作粘合劑，硝化甘油還作為增塑劑，再加入一些添加劑，混合後使用壓伸成型或澆鑄成型工藝製成藥柱，這就是複合改性雙基推進劑（CMDB）。 在CMDB配方基礎上加入高分子化合物作為交聯劑，它內含的活性基團與硝化纖維素上殘留(未酯化)的羥基發生化學反應生成預聚物，預聚物的大分子主鏈間生成化學鍵，交聯成網狀結構，預聚物作為粘合劑可以大幅改善推進劑的力學性能，這類推進劑就被稱為交聯改性雙基推進劑（XLDB）。主要交聯劑有異氰酸酯（如六亞甲基二異氰酸酯HDI、甲苯二異氰酸酯TDI）、聚酯（如聚乙交酯PGA）、聚氨酯（如聚乙二醇PEG）、端羥基聚丁二烯、丙烯酸酯等。 改性雙基推進劑的能量水平高於複合推進劑，廣泛用於各種戰略、戰術飛彈。美國的“三叉戟C4”潛射戰略飛彈的所有三級發動機都使用了XLDB推進劑，稱為XLDB-70，它的配方中固體填料達到70%（其中43%HMX / 8% AP / 19% Al），理論比沖2646牛·秒/千克。
