印度航天用固体火箭发动机.pdf

年?月固体火箭技术第三期印度航天用 固体火箭发动机摘要本文介绍了印度航天用 固体火箭发动机的发展历程、技术水平和应用情况,着重介绍 了?? 、增强型?? ?和极轨道卫星运载火箭用的固体发动机情况?主题词固体火箭发动机运载火箭印度一、月功舀? ?年代初,印度开 始研制固体发动机,一直以航天为主要目标之 一,二十 多年来,它为探空火箭、卫星运载火箭研制了一 系列固体发动机?发展速度快和基本上全由印度航天研究院仃????独家研制,是 印度航天用 固体发动机发展的两个特点?本文对 印度航天用固体发动机的研制历程、技术性能和应用情况作一介绍?二、初期研制阶段????年? ?月,印度航天研究院采用美国奈克一??? ?? ?探空火箭,发射了一个有效载荷不久,印度就决定研制本国的固体火箭,第一种发动机代号是??一? ??该发动机直径为采用七角星孔 自由装填式双基推进剂药柱,用聚酷树脂系统粘结在壳体上,铝合金壳体,热沉型金属喷管,多晶石 墨 喉衬,以黑 火药和???? ?混合物为烟火剂的药篮式点火器一? ?发动机燃烧时间略小于??,推力约? ??,经过一系列地面试验后,进行了飞行试验印度通过这个发动机的研制,达到了探索固体火箭的目的,取得了以下主要技术收获?? ? 发动机及附件的设计技术?? ? 推进剂装药技术??? 试车台设计和试验技术?? ? 飞行试验技术。

随后印度又开展了名义直径?? ?? ?的两级探空火箭研制,其两级发动机直径相同,都采用 了聚氯乙烯基塑溶胶推进剂?这种 推进剂比双基药的能量要高,实测比冲约 为? ? ??·“?? ,因而燃烧温度也就较高,需要采用较好的绝热技术?该推进剂的固化温度高达?? ?℃,不适合贴壁浇注,因而采用了将推进剂浇注在起绝热层作用的聚氯乙烯限燃管中的设计?飞行中两级发动机的分离是通过大气阻力作用而实现的?这项研制的主要收获如下????推进剂配方和工艺的改进?? ? 柔性推进剂药柱的处理和装药技术?? ? 两级火箭设计和级间分离技术一? ?一三、探空火箭? ?年代后期?印度开 始研制一组能探测?一?区的单级和两级火箭,其直径从?????至???? ?,分别可携带一?一?????有效载荷,射高为??一? ? ???图?示出印度目前还在使用的?种探空火箭,表?列出了它们的性能数据这些火箭的发动机具有如下主要技术特点???发动机壳体?圆筒段采用?????一?低碳合金钢板卷焊而成?材料极限抗拉强度? ?????,前后封头 由?????一?钢锻件制成?研制中发展了一种螺旋焊接工艺,成功地应用于发动机壳体制造。

还研制了用芯模缠绕并粘接合金钢带制造壳体筒段的技术,其封头用粘接剂与筒体连接表?探空火箭用固体发动机性能、、 半比比? ?一??? ? ???一??? ? ???一??? ? ???一??? ? ?⋯⋯⋯⋯⋯??? ? ? ? ? ?级级数数第?级级第?级级单级式式单级式式第?级级第?级级直直径,? ? ? ?? ? !? ? ? ???? ? ??? ? ? ?? ? ? ?? ? 壳壳体材料料?????一? ? ??????? ? ???? ?一? ? ?同左左同左左同左左钢钢钢钢铝合金金钢钢钢钢钢最最大预计工作作???? ? ???? ? ? ? ?? ? ???? ? ????? ? ? ?? ? ?压压力,??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?药药重,?? ? ?? ? ??? ? ? ?? ? ?! !∀ ∀ ∀#∃ # # # ! ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯工工作时间,? ? ?,·, ? ? ???? ? ????? ? ??? ? ???一? ? ????? ? ?海海平面实测比冲, ,? ? ! ! !???? ? ????? ? ?? ?? ? ? ???? ???? ? ?? ? ?·???? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?火火箭总长,? ? ???? ? ???? ? ???? ? ???? ? ?火火箭起飞质量,? ? ? ??? ? ? ? !? ? ?∀?# # #∃ ∀? ? ?远远地点高度,?? ? ??? ? ???? ? ?? ? ? ?? ? 有有效载荷质量,?? ? ????? ? ??? ? ?? ? ? ??? ? ?应应用范围围气象探测测中层大气气高中层大大电离层探 测测层层层层探测测气层探测测测一??一??一??? ??推进剂???一???发动机采用聚氯乙烯塑溶胶推进剂,??一?? ?采用该推进剂时,添加了金属,提高了密度?所有药柱均为星形内孔 自由装填式,是先浇在聚氯乙烯管中,然后装人燃烧室的?此期间也开展了能量较高的端内醋聚 丁二烯复合推进剂的研制,其固体含量? ??,密度?????????,标准比冲??? ?·????,可制成自由装填药柱,也可直接浇注在燃烧室内???点火 器和喷管,不同发动机的点火器不尽相同,烟火剂为粉状或粒状,壳体为金属或开孔聚氯乙烯管?发动机喷管喉衬均为石墨,??一? ???????一???图??种探空火箭收敛段和扩散段用石棉酚醛衬层进行热防护,只是??一?? ?由于 出口锥较大而采用 了碳酚醛,近年来衬层中的石棉已由高硅氧取代?四、???运载火箭印度第一枚卫星运载火箭?? ?一?近地轨道有效载荷能力为??? ,??? 年末开始研制,?? ??年?月? ?日成功地发射了?? ??? ?卫星??? ?一?基本型是一种四级固体火箭,长? ? ? !!∀,起飞质量?? ?? ?? ?,最大直径??,名义轨道高度?匆???? ???,各级用铝合金级间段连接,级间段 内装仪表、控制和分离系统?表?列出其各级发动机的性能,各级发动机的主要特点如下???下面级发动机第一、二级发动机〔图? ?壳体均采用?????一?钢,材料极限抗拉强度?? ????,壳体名 义厚 度分别为? ????和???,筒体用常 规卷 焊工艺 制造,前后封头 和裙均用?????一?钢锻件制成,它与壳体圆筒焊接,经? ??℃热处理后达到 了材料最大性能。

第一级发动机壳体分三段,用?型环连成一体?壳体分段是为了可利用现有的推进剂浇注和固化设施?各发动机均采用的是? ????? ??? ?系列推进剂,它的固体含量? ??,名义燃速?????八? ? ? ??? ?下?,标准比冲??? ??·?????星形药柱,体积装填密度?? ??与绝热层用包复层 粘结,所用的睛基内绝热层名义烧蚀率? ? ! !??喷管面积比分别为???和?? !,所用热防护层相似,收敛段为花瓣式结构的碳酚醛衬层,扩散段前后部分分别采用碳带缠绕和硅酚醛衬层,喉衬为石墨,背壁衬有绝热层关于喷管外壳,第一级采用金属材料,第二级采用纤维增强塑料均采用小火箭式点火器,装以高燃速推进剂,第一级的质量流率是第二级的两倍,壳体为玻璃钢,名义点火延迟时 间??? ???喷管内装有堵盖,以利于点火?发动机在飞行前均进行了一系列地面质量鉴定试验,第二级发动机高空模拟试验采用 了直管式扩压器系统?图?表????一?第一、二级发动机?? ?一?各级发动机性能 一一岁之之一级级二级级三级级四级级? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?外外径,? ? ???? ? ??一? ? ??,? ? !???? ? ?总总长,? ? ?????? ? ?????? ? ???? ? !??? ? ? ?? ? ?? ?? ? ? ?? !?∀# # #∃ ∃ ∃∀?%? ? ?⋯0‘4, ,!。

·87, ,预预计最大工作压力,MP a a a4.41 1 13.826 6 6l l l 2.94 4 4⋯⋯⋯⋯⋯‘·‘, , ,工工作时间,s s s49 9 939.9 9 945 5 533 3 3平平均推力,kN N N441 1 11 96 6 664 4 42l l l最最大真空推力,kN N N623 3 3267 7 790.7 7 726.8 8 8工工作时间真空比冲,N·s /kg g g2482 2 22619 9 92717 7 72776 6 6壳壳体材料料1SC D V一6 6 6同左左玻璃钢钢同左左推推进剂剂P BAN N NP B A N N NH E F一2 0 0 0HEF一2 0 0 0控控制方式式尾翼十十二组元反作作单组元反作作自旋稳定定二二二次喷射射用控制系统统用控制系统统统一64一上面级发动机第三、四级发动机均采用玻璃钢壳体,前后封头均有预模压睛基橡胶绝热层,它在缠绕壳体前预置于芯模上所有壳体均在相当于最大预计工作压力1.1倍的压力下作了水压试验推进剂为C T P B,药柱内孔用机加和成型工具开了若干径向槽.喷管结构和 一、二级相似,但没有收敛人口段,其最大面积比高达 3 0:l。

点火器亦为小火箭式三、四级发动机均经过振动、热循环和纵向加速度等环境试验第四级发动机后来还成功地用作印度第一颗 同步地球卫星苹果号的远地点发动机这两级发动机如图3所示.2437.4筹筹筹 摹摹 蜻蜻蜻{ { {巍巍 I I I I I阅阅塑塑塑理理鞍绷绷绷绷茱茱茱霎霎霎霎霎霎霎 略略略略略千尹尹卜卜卜双双双瓦瓦J J J璐璐口口‘两J J J J J J J人拓 尺峪嘴O O O户户枯 民月月月月 瀚瀚瀚葵 毖} } } 双双双泛 名 蛇蛇图3SL V一3第三、四级发动机五、增强型S L V运载火箭印度在SLV基本型研制成功后,又决定在其两侧各捆绑一台第一级发动机,同时改进第一、二级 的推进剂和第四级壳体材料,构成了新的增强型五级SL v运载火箭这是印度第二代运载火箭,其总长 2 3.5m,起飞质量39 t,它可以将150kg有效载荷发射至4 00km高度的轨道上1.捆绑发动机为适应捆绑需要,把原第一级发动机的喷管设计成固定的斜喷管.为获得发动机 的性能重现性和最小离散度,给配对的两台发动机每次浇注等量同锅药浆.地面试验和飞行试验都证实两 台发动机的性能非常吻合(见表3 ).2.推进剂的改进通过增加推进剂固体含量提高了一、二级推进剂的能量。

在保持药型不变的前提下,铝粉含量由1 2%增至1 8 %,使得密度增大 07 9/cm,,比冲提高 5 9N·s / k g同时相应地调整了喷管尺寸,以保持最大预计工作压力不超过极限范围.推进剂改进后,曾因铝粉含量增大而使推进剂应变性能变差,从而引起药柱内孔表面产生了裂纹,并导致喷管收敛段严重烧蚀.后来通过加大人工脱粘层面积和采用较低的推进剂固化温度,解决了裂纹问题,又通过加厚碳酚醛烧蚀材料厚度,克服了烧蚀问题表4列出第一、二级发动机改进后的性能.发动机表3捆绑式发动机性能地面试 验}飞行 试验性能A SC卜刃2 }A SO一0 3A S O一O井丈 赢三一 偏端反 赢三点火延迟,s 01 95}0.160}0.230二2 18{0. 1 6 010. 1 7 6点火峰出现时间,s0.360’0.369一 0.4 50.4 5}0.3 92}0.3 92发动机压力峰出现时间,45.344.7}43553.5}4333!43.25燃烧时间,s 45.6445.244.044.0}44.1 4}43.92工作时间,51.0450.28499549.9548.9748.43点火器压力峰,MP a7.317.316.786.787.457.33发动机压力峰,MPa4.054.114.044.074.254.25点火压力峰,入 了 Pa2.92一842.922,912.92.94工作时间平均 压力,MPa3.063.043.053.153.15燃烧时间平均 压力,MPa 3。

143.193.143.163.263.25工作时间尸·d t积分,MPa·1564715627151.66152.35154.21152,74燃烧时间尸·d !积分,MP a·s143.52144.01138.15138。