LH系列是本人开发的第一个固体发动机系列，经历了 远古版本 > LH2-X > LH3-X > LH4-X 的发展。本帖首次总结了研制过程中的主要挑战和困难，以及突破，顺便提了一下正准备研制的 LEX系列（第二个固体发动机系列），希望能给大家一点启发。


由于LH系列是在“闭门造车”的情况下研制的，所以我曾经以为LH4-B将会是最终的作品，但当登陆 KC 以来，得到了很多有益的启发和帮助，特别是LH4-B的推力数据的总结之后，对固体发动机有更深入的了解，发现LH4-B还只不过是一个过渡，所以才计划了LEX系列。在这里特别感谢 KC 以及广大坛友！！


首先，LH系列是基于同一个壳体设计，也就是  PVC中心环支撑双层PVC壳体 （LEX系列以不再采用） 。正因在此基础上，LH系列的高推力，高比冲输出 才有可能实现。以下是工艺和内部结构...


PVC中心环是由电工胶布缠绕而成，再用白乳胶与外筒粘接成形。










PVC中心环在内外筒之间（因为有空隙）起支撑作用，这样内压力就能传到外筒。考虑到内筒受热强度降低，这样的结构使壳体强度提高绝不止一倍，同时重量增加不到1/3（已除去燃料）。




实际上的中心环数量要比图上的多，每个环之间间距10mm（LH4-B），其实间距20mm已经能满足需要，10mm是过余量的设计。
虽然看上去很简陋，又不可靠，但几十次的热试车证明，与单层壳体的比较，结论是完全没问题。
其实LH系列的各代（远古 2 3 4）实际的差异，只是体现在喷管的不同，壳体一直延用此设计。下面开讲各代的喷管设计。






远古版本  
远古版本的具体数据：壳体：PVC双层管
                               机长：120mm
                               喉径：6mm
                               扩张比：1
                               装药：大概90gKNSU +X（反正是一种加快燃速的添加剂，大家明不明白都不要问了）
                               端面燃烧
                               药柱外径：27mm
                               药柱长：大概90mm
                               总重：不详
                               工作时间 ：2s
远古版本是本人第一次成功的固体发动机设计，喷管是用 预制的普通水泥直喷部件，依靠农机胶水粘接而成。（因为年代久远，保存下来的资料并不多，就不详细讲了）
试机的结果是，整个发动机能产生较大推力，工作顺利直到燃料耗尽。严重的问题是，普通水泥的直喷严重被侵蚀，收敛的地方被侵蚀成球面！喉径>10mm
，可以说整个水泥块都几乎被冲“干净”了，本来25mm的厚度，剩下不到5mm。


后来发现原因，普通水泥不耐高温，在高温的下会粉末化。


仅有的视频...   XXXXXXXXXXXXXXXXXX/v_show/id_XXXXXXXXXXXXXXXXml






LH2-X
LH2-X是为了解决远古版本中严重的喷管侵蚀而研制的，所以采用了全金属喷管。

LH2-X的具体数据：壳体：PVC双层管
                               机长：150mm
                               喉径：6mm
                               扩张比：5.5
                               装药：大概90gKNSU
                               内孔：4mm
                               药柱外径：27mm
                               药柱长：大概90mm
                               总重：不详
                               工作时间 ：1.2s




LH2-X使用全金属喷管，同样使用农机胶粘接。





喷管组件，是普通的碳钢垫圈（发现外径刚好符合内筒的内径），小的那个是喉衬。






喷管成形，就这样抹上胶后整个粘接到内筒，因为装了一个小环做喉衬，所以有个较大的裂隙（会被胶填满）。






收敛段 和 喉衬（中间的小环）






扩张段






喷管外观






因为LH2-X采用了纯KNSU+内孔燃烧，内压高，产生推力非常可观，但也因此产生了  喷管可靠性  的问题。
喷管可靠性，在LH2-X的热试车中，几乎每次都是因为喷管被炸出而造成失败，极不可靠！！


原因分析，排除了农机胶耐火性的问题，得出 1.因为金属的导热性优良，所以在高温燃气与金属喷管接触后，与金属喷管粘接的PVC内筒表面PVC材料出现熔化现象，丧失了粘接强度。（这是在一个小装药的LH2-X热试车后发现的）
                                                                        2.因为农机胶质较脆，加上金属和PVC材质也较硬，所以粘接凝固后，稍有外力作用，很容易造成农机胶粘接层的破碎，同样丧失粘接强度。（这是一次由意外的发现，粘接好的发动机摔落，把碳钢圈都砸出来了）


这些因素在远古版本中都不存在，所以没有发现类似问题。




LH3-X
LH3-X是为了解决LH2-X喷管可靠性问题而研制的，采用可靠性极高的机械固定代替了不可靠的胶粘。

LH3-X的具体数据：壳体：PVC双层管
                               机长：165mm
                               喉径：6mm
                               扩张比：5.5
                               装药：大概110gKNSU
                               内孔：4mm
                               药柱外径：27mm
                               药柱长：大概100mm
                               总重：不详
                               工作时间 ：1/3s


LH3-X采用可靠性极高的螺栓固定，但因为失去了粘接密封的作用，所以开创了一个密封部件——有机防火堵泥密封圈。




打螺栓孔






钻孔后拧入螺栓






接下来就是，复杂的喷管和有机防火堵泥密封圈工艺流程。


先打一个垫圈，作为底座




准备好的喉衬






利用喉衬留出的缝隙，填上堵泥。










用力敲打，压实，保证密封性。






多余的堵泥会被挤出来，这样才能保证密封性能。










然后就是扩张段，因为螺栓造成的缝隙，一样用堵泥填充。






完成后的外观和LH2-X的喷管一模一样，但内部已经全面改进。




LH3-X依然采用了KNSU+内孔燃烧，推力强劲，以下是热试车瞬间。












LH3-X虽然推力强劲，而且完美解决了 喷管可靠性 的问题，但随之而来的，却是另一个巨大的打击！！
LH3-X的有效工作时间只有1/3s！！因为在1/3s时，发动机都会出现拦腰（位置在收敛段上方一点）烧断（整个发动机的内筒被烧断为两节）的情况，如下图。
















断面是焦黑的，明显是过高的温度引起的熔毁，不是密封问题。经过试验和观察，得出结论。
原因只有一个，还是金属优良的导热性！！
熔毁的过程大概是这样的：高温燃气作用于金属收敛段和喉衬，燃气被压缩放热，加热收敛段和喉衬达到红炽甚至白炽状态后，对非金属壳体的强烧蚀作用，导致壳体熔断，解体（在金属发动机中也可以看到金属喷管熔断的类似现象，我就在科创航天局早年的发动机中看到过）。


又因为在之前的LH2-X中，在收敛段和喉衬后端有大块金属（由圆片叠压形成），能较好地导走喉衬部分的热量，所以这个现象并不明显，但还是导致了 喷管可靠性 的问题。但在LH3-X中，因为喉衬和“大块金属”被固定螺栓隔离，导热能力大幅度下降，导致收敛段和喉衬将附近的PVC材料熔毁。


这就是金属喷管和PVC在一起的悲剧了，这个问题一直困了我半年，一直都没有办法解决，不过最终在液体火箭发动机的固体燃气发生器上得到了灵感！！




LH4-X

LH4-X是在LH3-X的基础上，加装了 喉衬冷却 和 优化了扩张段 改进而来。
LH4-X的具体数据：壳体：PVC双层管
                               机长：200mm
                               喉径：6mm
                               扩张比：20.25 （旧贴的4.5有误）
                               装药：126gKNSU
                               内孔：6mm
                               药柱外径：27mm
                               药柱长：126mm
                               总重：450g
                               工作时间 ：1.8s


这是LH4-X的原贴  XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/t/70232


介于原帖里和LH3-X的喷管设计介绍的已很完善，这里LH4-X就重点介绍  喉衬冷却


喉衬冷却是从液体火箭发动机的固体燃气发生器上得到的灵感——为了降低固体燃气发生器产生的高温燃气，对涡轮造成过重的负担，可以将燃气通过降温物质（如 无水草酸），以达到降温目的... ...


所以 喉衬冷却 就此诞生！！


这里使用的是硝酸铵（虽然氧化环境对金属不好，但这里毕竟工作时间不长）
按照LH4-B的标准，称取20g左右（少了效果不好，多了会排气不畅导致爆炸），实际用的只有18g左右。






熔化后浇筑在收敛段后方










成型后，就是这样的。










喉衬冷却的效果非常好完美解决了，LH3-X所存在的问题，工作全程没有再出现过问题。
可以看见内部（洗过后），收敛和喉衬以及周边的PVC材料都非常完整，基本没有烧毁。






外部因为那时扩张段还没有优化，被冲掉了，内筒被侵蚀变形了，被熏黄了。




在扩张段优化之后，喷管的性能和可靠性又得到了提高。


这里  XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/t/70501  有优化后的扩张段的介绍，不多说了。


扩张段外观






这是在大概3~4倍音速（有了推力数据后不难计算）气流冲刷后的扩张段，能基本保持形状。其实，在这里扩张段的意义不只在提高推力，更重要的是隔热。以保证固定螺栓不会接触到高温燃气，出现强度问题。









结构可靠性方面的问题，基本都解决了，下面将详细讨论LH4-B的性能。


这是LH4-B的推力曲线


和一些基本数据                                     工作时间为1.80s
                                                 实测总冲=103.307N*S                                                   
                                                 实测比冲=826.456N*S/kg


虽然基本数据令人欣喜，但不难看出，LH4-B的初始推力较小，平均只有30N左右，而且推力峰过于明显，且时间短。


1.造成极大地性能浪费，LH4-B能承受200N以上推力所需要的压强，但极大部分工作时间都在很小压强下，造成性能浪费。


2.过于明显，尖锐的推力峰会对上箭带来极大的麻烦，在火箭的飞行过程中，瞬时推力的急剧变化（特别是出架后），定会对飞行稳定性带来巨大的影响，导致各种问题。（LH4-B多次上箭的彻底失败，应该就是这个原因）


分析原因：装药的问题，因为采用了 单段长126mm的药柱的圆内孔燃烧，以至于开始燃面积（内孔的表面积）与终燃面积（药柱外表面积）相差大。


就像下面的两个模拟
  







很明显，采用多段药柱后，由于开始燃面增加了多个端面，而且由于多端面燃烧，到最后会减少药柱的总长度，导致终燃面减少，这样开始燃面与终燃面的面积差就会减少，表现为推力峰变得不明显，推力曲线较平缓，这无疑对发动机的性能提高，和飞行稳定性是有很大帮助的！！


LH系列就到此画上句号了，但在LH系列的基础上LEX（发动机名，EX取意excellent（卓越的））系列的研制又才刚开始，我相信还会有大突破的。




最后来一张LH4-B的零件全家福