固体火箭推进剂理论（二）

固体火箭发动机的基本结构

固体火箭发动机的组成：点火装置、喷管、燃烧室、推力终止装置。
喷管的组成：收敛段、喉衬、扩张段。
燃烧室的组成：壳体、绝热层、推进剂、衬层、限燃层。

燃气发生器（gas generator）：产生具有一定压力及温度的燃烧气体的装罝。
固体火箭发动机是一个燃气发生器。

装药的结构形式

固体火箭发动机按照装药的结构形式可分为贴壁粘接式固体火箭发动机和自由装填式固体火箭发动机两类。

1、贴壁粘接式的特点是：
固体推进剂药浆直接浇注于已完成衬层包覆的燃烧室壳体内,推进剂固化后与燃烧室壳体形成一体结构,不可拆卸。采用复合推进剂的固体火箭发动机普遍采用贴壁粘接式装药结构。

2、自由装填式的特点是：
推进剂药柱成型是在特制的模具内完成的,固化成型后的推进剂药柱与绝热燃烧室壳体之间通过装配完成固体火箭发动机的制造,推进剂药柱与燃烧室壳体是可拆卸的。采用双基推进剂的固体火箭发动机以及部分采用复合推进剂的小型固体火箭发动机通常采用自由装填式结构。

贴壁式

贴壁粘接式固体火箭发动机燃烧室装药由壳体、内绝热层、衬层、复合固体推进剂组成。

内绝热层是位于固体火箭发动机壳体内表面与推进剂药柱之间的一种非金属隔热耐烧蚀弹性材料。
对于小型的贴壁粘接式固体火箭发动机,当发动机工作时间很短时也有不采用内绝热层的情况。
作用：
1、在固体火箭发动机工作过程中通过材料自身的吸热熔融、分解等作用,降低固体推进剂燃烧释放的热量向壳体传递的速度,避免壳体达到危及其结构完整性的温度,保障壳体的承压能力,确保固体火箭发动机的正常工作；2、在固体火箭发动机制造、运输、贮存、使用过程中兼有缓冲应力的作用。

衬层(也称包覆层)是固体火箭发动机燃烧室壳体内连接推进剂与内绝热层(人工脱粘层)或壳体材料的一种特殊胶粘剂。
作用：
1、通过衬层与推进剂、内绝热层或壳体材料的界面进行化学反应和物理作用,将推进剂、绝热层(人工脱粘层)或壳体材料牢固地粘接在一起,以确保全寿命周期内固体火箭发动机装药结构的完整性；
2、在固体发动机工作时确保推进剂按设计燃烧面燃烧,并控制推进剂能量的有序释放；
3、同时兼有缓冲应力的作用。

自由装填式

内绝热层是指直接粘贴于燃烧室壳体内表面,不与推进剂粘接的非金属隔热防护材料,主要功能同样是降低固体推进剂燃烧释放的热量向壳体传递的速度,避免壳体达到危及其结构完整性的温度,保障壳体的承压能力。

推进剂药柱外表面的一层非金属弹性材料通常称为包覆层或绝热套,主要功能是阻止固体发动机工作时推进剂药柱非燃烧表面的温度升高,并限制推进剂燃烧面积的增加,确保推进剂药柱按设计燃面工作,同时也能缓冲外力对推进剂药柱的直接作用。药柱包覆层或绝热套与内绝热层既可以采用相同的热防护材料,也可以采用不同的材料。

粘接推进剂与绝热套或包覆层的材料即为衬层,其主要功能仍然是粘接作用,衬层应确保推进剂与绝热套或包覆层之间粘接可靠避免发动机工作时推进剂燃烧面出现非预期扩展。

喷管

喷管堵盖作用：
1、起密封防潮作用，喷管堵盖的可靠密封可避免发动机内部药柱及药盒受潮，确保推进剂及点火药正常工作；
2、可迅速建立发动机点火压强，缩短点火延迟期，提高点火可靠性。喷管堵盖打开压强偏低,可造成点火延迟期增加，点火药能量损失增大，严重时可出现发动机熄火；打开压强过高,可引起过高的初始点火压强峰,推进剂药面可能受到破坏，严重时可致使发动机爆炸；
3、合适的喷管堵盖打开压强可减小点火扰动，避免因点火过程产生不均匀流场导致的瞬间推力偏斜。

喷管堵盖形状主要有：圆片、碗状等；根据打开方式可分为：界面脱粘、整体爆破、可烧蚀打开等。
[1]向进,王相宇,邓康清,余小波,陈向东,杨晨秋,李颖. 固体火箭发动机喷管堵盖的研究进展[C]//.中国航天第三专业信息网第三十九届技术交流会暨第三届空天动力联合会议论文集——S02固体推进技术.[出版者不详],2018:114-122.

喷管由收敛段绝热层、扩张段绝热层、喉衬、喷管壳体组成。

限燃层、衬层、绝热层

限燃层又称阻燃层,它是将缓燃或者不燃材料涂在推进剂药柱表面的某一部分,用来控制初始燃烧表面的面积,最终控制推力的变化规律。一般限燃层的厚度为毫米级,所用材料通常为有添加剂的复合橡胶。

衬层是壳体粘接式发动机中壳体或绝热层与推进剂药柱之间不能自燃的胶粘薄层。主要起粘接、缓冲应力,兼有隔热和阻燃作用;减轻由于温度变换而产生的热应力,避免药柱或药柱与壳体(或绝热层)之间出现裂纹或脱粘现象;隔绝高温燃气与壳体直接接触,保证药柱正常燃烧;还可防止药柱对壳体的腐蚀作用。一般均采用与固体推进剂粘合剂相同的材料作衬层的材料;也可用不相同的材料如乙丙橡胶、丁睛橡胶或其他材料,外加适当的填料。

绝热层是在燃烧室与燃气直接接触的内壁和喷管的某些部位粘贴一定厚度的耐烧蚀、隔热材料。其功能是作为燃烧室的内衬,保护发动机壳体不受烧蚀。

燃烧室壳体绝热工艺

绝热层的主要功能是防止壳体达到危及其结构完整性的温度,对绝热层的性能要求除了隔热外,还包括限燃、抗冲刷、密封等。由于绝热层是一种隋性材料,是固体发动机的消极质量,在固体发动机燃烧室中所占质量和体积越小越好。因此,发动机中不同部位的绝热层厚度是不一样的。绝热层成型工艺的任务就是按设计尺寸要求对壳体进行热防护,防止脱粘的出现,并满足规定的尺寸公差要求。

固体发动机壳体分为金属壳体和非金属复合材料壳体两类,对应的绝热层成型工艺是不同的。金属壳体绝热层成型工艺包括金属壳体清理、人工脱粘层的制作、片材粘贴、燃烧室机口配合尺寸保证、绝热层固化等工作,它在壳体成型后进行,是装药制造工艺的部分。而非金属复合材料壳体绝热层成型工艺与壳体成型工艺同时进行,即绝热层是与壳体一体成型的,它是壳体制造工艺的部分。

金属壳体清理包括：金属内表面除油和内表面喷砂。

传统的金属壳体内绝热层成型方法为手工贴片粘贴成型工艺,包括贴片准备、刷胶、贴片等过程。

人工脱粘层制作

由于壳体的热膨胀系数与推进剂的热膨胀系数相差一个数量级，在推进剂固化降温过程中，推进剂药柱的收缩量远大于壳体的收缩量，由此会产生相当大的热应力，使推进剂装药芯孔内表面形成裂纹，或使燃烧室头部或尾部的推进剂与绝热层之间脱开。设置人工脱粘层的目的就是在进行绝热层设计时,在头部或尾部等易脱粘部位，事先采用不易粘接的低表面能材料设置人工脱粘片，当发动机固化降温时使绝热层与人工脱粘层从事先设定的位置脱开，避免燃烧室头部或尾部的推进剂与绝热层之间脱粘。

人工脱粘层的制作过程是在绝热层与人工脱粘层之间刷涂隔离剂,或者加上耐高温的人工脱粘片,如聚四氯乙烯膜,使层间在受力情况下能够分离。发动机的人工脱粘层/绝热层可以在模具上通过整体预成型模压成一体。大型发动机的人工脱粘层一般采用U形结构,既可以采用整体模压成型,也可以手工在壳体内搭接成型。

[1]叶子航,张守诚,肖黎,屈文忠,沙宝林.人工脱粘结构界面脱粘原位高频振动监检测方法[J].固体火箭技术,2022,45(03):453-459.

衬层包覆工艺

衬层的主要功能是确保绝热层(和/或壳体)和推进剂之间不发生脱粘。但因衬层材料也是固体发动机消极质量的一部分,在确保界面粘接可靠的情况下,衬层的厚度不宜太厚,一般为0.51. 0 mm,通常通过控制衬层的涂覆量来控制厚度。衬层涂覆工艺的任务就是按设计的厚度将衬层均匀涂覆在绝热层或壳体的内表面,并预固化,既要防止衬层流挂,也要防止推进剂真空浇注过程中衬层鼓泡而出现质量问题(如脱粘等)。

衬层包覆工艺包括绝热壳体烘干除水、衬层涂覆和衬层预固化等过程。