在具体的设计前,先要确定这四者的材料
○1燃料
在一般的固体火箭发动机中,常用燃料以其组分分类有:单基推进剂、双基推进剂、黑火药(多用于烟火火箭)、复合推进剂,改性双基推进剂。
其中,上世纪70年代发明的KNDX系二元推进剂,以其安全(不易过压),低廉成本,易制备的优点成了我们的最后选择。
我们用的为KNDX系中的KNSB燃料,成本为65%KNO3,35%山梨醇。燃烧产物有CO2、N2、K2O、K2CO3、及极少量C和CO。常压燃速(单体时间燃烧面移动距离)2.8mm/s,而且1—1.8Mpa之间保持燃速r=8mm/s不变。
○2壳体在一般的固体火箭发动机中,常用壳体材料有玻璃钢和金属
在烟火中也常用纸为壳体。然而我们将采用一种更合适的材料——PPR热水管。
PPR热水管为聚乙烯材质,可以长时间在2Mpa,80℃下工作,安全可靠(水压测试说明它可以短时受5Mpa压力),来源广、材格低;易加工,使用技术成熟,为我们首选。
○3堵头、喷口
我们采用堵漏工水泥为堵头喷口材质,堵漏工水泥密度小、标号高、固化快、耐压高,美中不足是不耐高温,易烧蚀,但总体来说,是利多弊少。
【2】设计
将上述公式化简:如n=0 CF=1.3等,有如下公式
F推=1.3×Pc×At
设计时,设计好工作压强和推力,计算出Ab, At,再用PPR的直径(内径)计算出L。
实际我们在设计时,使用了未简化的公式和微积分,使结果大大精确(因为Ab, At在变化),具体过程不加详述。
精确计算中,需知At变化率与出口气体流速关系的一个系数K,
(At变化率d At/dt=k×v4)
因此要试制一发动机以测出K值
测试烧蚀2号发动机尺寸:内孔直径9.5mm
喷口直径:6mm
药柱长:50mm
药柱外径:26mm
喷口烧蚀:1mm
得K=(未实验)
最后发动机尺寸为:
内孔直径9.5mm
喷口直径:5.3mm
药柱长:50mm
药柱外径:26mm
设计推力F=50N
【3】气动外形
火箭有重量,计算中重力的作用点为重心,它同时视为物体的质心(位置相同)同样的,火箭飞行时有空气阻力,空气阻力的作用点设为压心。
易知,为使火箭始终指向气流来向(向上飞行,不翻滚)压心和重心受力应在同一直线上。另外,同一直线有两种情况(1)压心在上 (2)重心在上
易证只有压心在重心下时,准确的说是压心在重心下至少D的长度才稳定,所以箭体设计应保证压心在重心下D的长度。
重心可以用垂挂法测出,那么压心如何确定呢?
压心可以用低速风洞测出,巧的是,一中的通用技术实验室正好有这种设备。然而由于时间关系,我们没有展开测量(测量十分复杂,同时测量只能在箭体完成后展开),事实上,压心位置可计算得出:
空气阻力大小与正对面积S成正比,与速度v2成正比(F=C×ρ×S×v2)可以证明,压心的大致位置就在其横截面的几何重心上。
最后制造出的箭体如下图所示(未喷漆)