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手把手教会你设计一个金属可复用固体火箭发动机
关山口国服坤坤2024/08/16原创 喷气推进 IP:湖北
中文摘要
针对初学者的可复用固体火箭发动机设计教程
关键词
固体火箭发动机可复用发动机KN基AP基

这段时间关注社交平台和科创还是发现有很多人不会设计发动机,以至于花钱找别人设计或者买别人设计好的。于是我脑袋一热,写了这篇文章,可以让你零基础学会并按照自己的需求设计出符合自己心意的发动机 sticker

ps:本帖只是传授个人经验,使用本教程时,应自行承担风险。我不对任何因使用本教程而可能发生的损害或财务损失承担责任。



这个教程分为KN篇和AP篇可以满足大多数基础爱好者的需求

那么废话不多说,我们直接开始

首先要把需要的东西都准备好

  1. 一个能正常运行的计算机

  2. 加工需要的钱,个人经验要150元以上

  3. 一个灵活的脑袋

  4. 一些计算工具(放在这篇文章的末尾了)

 其次我们还要知道一个可复用的发动机通常由喷口、堵头、壳体、密封圈、螺丝/卡簧、隔热层和燃料构成   

                 


 

                           我们先来讲kn发动机



Kn基燃料温度相对比AP基燃料温度但同时它产生的残渣会很多,所以我认为KN基燃料可以用304,45钢等金属材料就可以了(没必要加喉衬)

接下来我们开始计算,一些太老的计算软件还是不要用了(别问我怎么知道的),KN燃料拿SRM就可以得吃了

KN燃料拿计算器计算时不懂的数据可以参考这张表

屏幕截图 2024-08-17 140700.png

我们打开SRM,通过在蓝色方框内输入自己发动机的尺寸及一些参数,点求解,就可以算出自己发动机的喷燃比、室压等参数。

注:有些电脑运行SRM可能会出现需要宏的提示,但是其实不用管这个提示,不用宏结果也能直接出来

我们先找到压强,填入自己发动机的一些参数

屏幕截图 2024-08-17 140800.png

Image_1716028211829.jpg

我们根据仿真出的结果可以得知燃烧室最大压强差不多在3.79Mpa,我们再来算壳体壁厚

Image_1723806780347.jpg

材料的强度除以安全系数就可以得到许用强度

根据此公式我们可以用专门的壳体设计计算器快速的得出结果

mmexport1723777666067.png

注:我发现很多人取安全系数都太高或者太低,我认为一般安全系数不用取太高,2-5就行(不宜超过10)

由此表可以得出:我这个发动机的6061壳体的厚度为2.7mm在理论上就已经很安全了


算出壁厚以后我们接下来要设计喷管

我这里提供两种方法(我认为这两种计算器最大的区别就是:一种是填入收敛段和扩张段长度和其他基础数据来不断仿真,再结合得出的结果不断更改数据,最终得出最佳的数据。

还有一种是填入收敛段和扩张段角度和其他数据直接得出收敛段和扩张段长度和扩张比等数据)

爱好者可以根据喜好自行选择方法


第一种:使用KC的喷管计算工具

不管是手机端还是PC端,打开KC就能找到这个工具

IMG_20240525_123806.jpg

在上半框填写自己发动机的参数和一些数据,下半框为得出的结果

入口直径就是你发动机的内径(有的时候还要减去喷管的入口壁厚)

收敛段长度就是图片中喷管左宽右窄的那半个类似喇叭的横向长度

喷喉长度就是喷管最窄的那个部分的横向长度

我们要关注下半框的喷管效率(尽量不低于90%),出口压强(尽量在100~120Kpa之间)

如果你仿真出来的出口压强太低或者太高,你可以通过不断更改出口直径来解决。


第二种:就是使用LSEQY最近编写出来的计算器

屏幕截图 2024-08-17 143741.png

同样的,只要在对应的输入框填入自己发动机的数据就可以计算了

注:收敛角度半角一般为30-40度

       扩张角度半角一般为15-20度

       出口压力一般取海平面压力为0.101MPa

       

这样也一样可以得出喷管的参数

       

如果你不断修改得出的数值符合我以上的要求,那么恭喜你,你设计出来了一个合格的喷管,你就可以进入下一步---画图

画图这里密封圈的槽要说一下,比如你使用密封圈的厚度是1.9mm,那么你设计密封圈槽深度的时候可以设计成1.89mm,这样让密封圈凸出来一点

注:堵头设计的时候上方要提前设计等于或大于壳体直径的一个部分(要不然你怎么取下来)

Image_1716648668544.png Image_1716648356298.png

Image_1723775466755.png

车床启动!

mmexport1716809571568.jpg

亮晶晶的一个喷管捏 sticker

燃料制作部分我这里就不提了,KC上已经很多了

隔热层的话一般使用环氧树脂管、PPR水管或纸管

有的发动机可能会出现使用密封圈密封效果还是不好的情况,这个时候就可以使用生料带缠绕密封圈,直到发动机不漏气为止

附KN发动机第一次四分之三装药试车视频


lv_0_20240801104809.mp4  点击下载

眼尖的朋友可能已经发现了这枚发动机的问题——就是发动机在工作时出现了漏气的现象。


针对这个问题我采用了在燃料柱和端面堵头之间放一个密封圈的方法来解决

果然,在第二次全装药试车时,可以观察到没有漏气(喷口与壳体连接处燃烧的那个东西是被高温引燃的生料带)


Video_1722604674163.mp4  点击下载


                   接下来开始AP篇

由于我使用的是粉AP(粉AP制作出的发动机直径要≤32mm),因为a、n值不确定[a是燃烧常数,意思就是1Mpa下的燃速,n是压强指数(燃速r=aP的n次方)],所以算内弹道不是很准确。但又因为我的发动机比较小,所以我是大概估测室压在4Mpa左右 sticker

得出室压以后再进行壁厚计算

mmexport1723778258834.png

所以壳体厚度为2mm绰绰有余了

AP基燃料最容易遇到的问题就是喘燃,这个其实就是最小喷燃比太低的原因。所以我们要把发动机的最小喷燃比提升到140以上当然你最大喷燃比也不要太大,尽量小于300

注: 喷燃比和是不是粉AP无关,所以也可以使用SRM来进行计算(SRM会比这些远古软件更准确)

IMG_20240316_115840.jpg

接下来设计喷管

同样的也是有两种方法

第一种:使用KC的喷管计算工具

IMG_20240316_125907.jpg

注:AP燃温比kn高一点填2268K就行。

在上半框填入你的发动机的参数和一些数据之后,点击计算,看下半框得出的结果。我们要关注一下喷管效率和出口压强(喷管效率一般90 %以上就很好了,出口压强一般接近于大气压强就是100~120Kpa之间)

如果你的某一个参数没有在我说的这个范围之间,你可以通过更改喷喉直径、出口直径等喷管的参数来不断调整

直到数值在我说的范围之内,那么恭喜你,你就设计出了一个合格的喷管

第二种:就是使用LSEQY最近编写出来的计算器

屏幕截图 2024-08-17 143741.png

同样的,只要在对应的输入框填入自己发动机的数据就可以计算了

注:收敛角度半角一般为30-40度

       扩张角度半角一般为15-20度

       出口压力一般取海平面压力为0.101MPa

       这样也一样可以得出喷管的参数



理论完成,接下来就是画图了

画图这里密封圈的槽要说一下,比如你使用密封圈的厚度是1.9mm,那么你设计密封圈槽深度的时候可以设计成1.89mm,这样让密封圈凸出来一点

Image_1711118982786.png

至于喷管材质这个问题我得说一下,AP的燃温比kn高,所以我建议AP发动机如果不上箭的话可以使用45钢,如果要上箭的话可以使用电木、石墨。当然不嫌麻烦的话使用喉衬也是一种不错的选择。


mmexport1711710982968.mp4  点击下载

4e2537d369834a23a1296f54e82655712f69149a065f48e0b54f3db5f1440015.jpg

IMG_20240501_161554.jpg

附赠一段试车视频

其实当时试车前出了一个小插曲:

本来我是带上了我制作好的金属试车台

IMG_20240503_103559.jpg

但是我也不知道咋回事,在试车前校准传感器的时候,采集卡采集出来的数据始终都是0


lv_0_20240817154703.mp4  点击下载

我当时心里就咯噔一下,然后最后调试了一个多小时还是显示出来都是0我就放弃了 sticker

最后插在土里试车,好在发动机也不负众望的成功运行


petal_20240503_170225.mp4  点击下载

Screenshot_20240503_193910_com.lemon.lv.jpg IMG_20240503_174057.jpg IMG_20240503_174103.jpg

隔热层还是非常完好的

IMG_20240503_174158.jpg IMG_20240503_174002.jpg

可以看到电木制作的喷管试车之后有很明显的烧蚀痕迹,所以电木制作成的喷管基本上只能用个一两次

而且这次发动机喷出来的火,肉眼观察会感觉有点虚,我事后猜测应该是出口压强有点低的原因;

并且出现了明显的过膨胀现象

Screenshot_20240503_193928_com.lemon.lv.jpg

所以我在下次设计时应要考虑减少两相流损失、散热损失和气流扩散损失等因素,还通过改进装药设计,控制燃烧速率和压力分布,从而减少过膨胀现象。同时对燃料进行提纯和细磨,以提高燃烧效率 。



由于我上述的内容都是我在近一年里跌跌撞撞自己摸索出来的,所以如果有不专业的地方,我希望能有大佬指出。同时,我也希望有很多小白能在看了我的文章之后学会制作可复用的金属发动机。

在这一年来,我要感谢支持我的家人,是他们给予了我追逐热爱的勇气;我也要感谢我的朋友,是他们在我遇到问题时耐心的给我解答并提供帮助

最后,我要感谢KC吧,让我的精神世界更加丰富


附一些计算工具

attachment icon 计算工具.zip 785.22KB ZIP 303次下载


[修改于 6个月21天前 - 2024/08/17 16:08:30]

+10  科创币    蜂起4223    2025/02/02 鼓励
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~~空空如也
关山口国服坤坤 作者
6个月22天前 IP:湖北
935802

这个帖子有一处错误:在壳体设计的时候,安全系数2-5就足够了

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关山口国服坤坤作者
6个月22天前 IP:湖北
935803

Image_1723806780347.jpg

材料的强度除以安全系数就可以得到许用强度


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yushu
6个月22天前 IP:浙江
935815

好东西,好想给你kcb,但是力不足

😅

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yushu
6个月22天前 IP:浙江
935820

请问CAD软件用的是哪个

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yushu
6个月21天前 IP:浙江
935882

加精祝贺

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关山口国服坤坤作者
6个月21天前 IP:湖北
935898
引用yushu发表于5楼的内容
加精祝贺

sticker hhh

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潜龙腾渊
2个月26天前 IP:中国
940289

压强低,缩小喷口呀


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星环航天
2个月8天前 IP:广东
940773

用老电脑(win7)运行SRM结果一直显示需要宏,本来想忽略掉这个,结果还真出不了结果怎么办?


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关山口国服坤坤作者
2个月0天前 IP:湖北
940978
引用星环航天发表于8楼的内容
用老电脑(win7)运行SRM结果一直显示需要宏,本来想忽略掉这个,结果还真出不了结果怎么办?

实在不行的话可以试试飞鹰航天的那个内弹道计算软件

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tian30
1个月13天前 IP:河北
941468

大佬那个车床加工你有没有渠道,或者说你能不能代加工,我去pdd上找的车床加工,加工一个喷管就要285,加工一套要1000多,对我这个学生来说简直是天价,100多就能加工的渠道是哪里的,谢谢




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XXC
1个月6天前 IP:广东
941681

image.png

如图,请问为什么我的kn基的发动机壁厚这么薄?


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1个月5天前 IP:河南
941687

想问一下为什么要用隔热层,金属发动机不是很耐烧吗


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coconut
1个月3天前 IP:上海
941771

???不对,你这密封圈根本就不带压缩的,密封了啥?环形压缩率一般都是15%左右,不过每一个密封圈都不同,还是建议查表,发现好多人都密封圈不带压缩的,为什么?密封圈不压缩它有啥用?


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关山口国服坤坤作者
1个月2天前 IP:湖北
941777
引用coconut发表于14楼的内容
???不对,你这密封圈根本就不带压缩的,密封了啥?环形压缩率一般都是15%左右,不过每一个密封圈都不

是的,后期使用确实发现了漏气的问题,是我的疏忽,我最后是缠生料带解决


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蜂起4223
1个月2天前 修改于 1个月2天前 IP:浙江
941779

槽点太多不知道先说哪个。

1、收敛半角过小。请参考专业书籍。

2、按照LSEQY的说法,计算器是用来验证喷管设计的,不是用计算器来设计喷管。设计逻辑是先给定重要参数再去设计,而不是反推过来一点一点迭代推出来。

3、“粉AP制作出的发动机直径要≤32mm”请问这是哪来的?谁说的?

4、燃喷比“尽量小于300”同样无依据。超过300仅仅是内压强增加。按照御坂发布RAP669的原始贴,燃喷比350大约对应6MPa内压强。

5、密封圈。密封圈不是你拍脑袋设计的,都有压缩比和O型密封圈对应密封槽各尺寸的设计表格,看到1.90→1.89真没绷住。

6、使用铝管作为壳体,似乎也没有看到你的隔热材料。安全系数也很大程度上取决于隔热 壳体耐热性等细节。如果做好隔热短时燃烧的发动机安全系数理论上可以降到1.5-2。

7、对于入门萌新而言,很多专业名词没有解释。如喉部、燃喷比等

8、修正 喷燃比× 燃喷比/燃通比✓

9、针对评论tian30。如果你能想到在科创上稍微搜索一下金工加工,就能找到我之前发布的加工贴。一千够加工三四套了。

10、不要把AP基燃料或者RAP统称AP燃料。这是我很多平台上看到的不良现象。RAP-669就说669。“AP燃温比kn高一点填2268K就行”此处改为669比kn基某种燃料 如knsb 会更严谨。


总结

该教程贴有一定的指导作用,但错误过多,建议自己完全搞懂后再去教别人,不然容易落下个误人子弟的名头。平心而论,有此种愿意教学的念头是非常好的,我个人给予10科创币作为鼓励,希望楼主继续加油。


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关山口国服坤坤作者
1个月2天前 IP:湖北
941796
引用蜂起4223发表于16楼的内容
槽点太多不知道先说哪个。1、收敛半角过小。请参考专业书籍。2、按照LSEQY的说法,计算器是用来验证

首先,衷心感谢您对我的文章提出问题。


对于这篇文章中暴露出的问题,我深感歉意,尤其是未能确保文章的严谨性,是我的疏忽。


对于御坂发布的669燃料喷燃比数据是针对配级的球粒APScreenshot_20250202_155215.jpg

但目前大多数爱好者都使用的是粉AP,由于没有实验得出粉AP的a,n值,喷燃比也不好确定,我不建议使用粉AP制作高室压发动机。


最后 ,我会吸取这次发帖的教训,争取以后发布更加严谨的教程帮助到爱好者们


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22天20时前 IP:河南
942086

请问SRM是什么,在哪打开


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关山口国服坤坤作者
22天19时前 IP:湖北
942089

下载文末计算工具的压缩包,打开之后会有


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关山口国服坤坤作者
22天19时前 IP:湖北
942090
引用发表于18楼的内容
请问SRM是什么,在哪打开

下载文末计算工具的压缩包,打开之后会有


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12天18时前 IP:河南
942308

我现在用kn,想换个固化剂,不用5020了,用什么效率高啊


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关山口国服坤坤作者
12天17时前 IP:湖北
942309
引用发表于21楼的内容
我现在用kn,想换个固化剂,不用5020了,用什么效率高啊

不要用5020,KNSB就行,这个燃料现在有很多教程,你自己在KC上面翻翻


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