4 固体火箭发动机结构完整性评估 16

4.1 发动机高温(50℃)点火发射时的结构完整性 16

4.2 发动机常温（20℃）点火发射时的结构完整性 19

4.3 发动机低温（-40℃）点火发射时的结构完整性 22

4.4 发动机冲击载荷作用时的结构完整性 24

4.5 发动机不同内外压差作用时的结构完整性 26

4.6 小结 31

结 论 33

致 谢 34

参 考 文 献 35

附录 A 固体火箭发动机二维图纸 36

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1 引言

1.1 研究背景和研究意义

高比冲、高质量比和更长的时间续航已经成为未来固体火箭发动机的发展目标。可是发 动机的结构完整性与其自身性能常常存在冲突的。若追求高质量比则需要提高发动机的装填 系数，而装药的装填系数过高则会导致药柱在高过载情况下应力应变较大，这往往会导致其 结构完整性较差。故尤其是在研发高性能发动机时，作为确保发动机正常工作的重要环节， 科研人员一定要进行结构完整性分析。

这是一项十分庞大复杂的工作。其原因为发动机装药通常内含大量的大分子聚合物，其 力学性能与时间和温度有关，呈现为高度的非线性粘弹性特性。若想确保发动机工作正常， 就必须从制造、贮存到试验飞行全过程中保证药柱的完整性。这就要求我们应该重视固体火 箭发动机的装药结构完整性分析。以往工程中大多通过发动机地面点火实验的方法进行药柱 可靠性测试。而现在通过装药结构完整性分析，可以减少实验次数，降低研发成本和缩短研 发周期。

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

本文使用三维软件 UG 对某自由装填固体火箭发动机进行建模。并通过调查，探寻发动

机装药在生产、运送、储存和发射过程中存在的各类危险工况和极限载荷。根据线性粘弹性 理论通过 ANSYS 软件，分别对 50℃ ，20℃ ，-40℃温度下发动机点火发射时（受内压和过载）

的工况以及运输中受冲击载荷作用的工况进行了数值分析，校核发动机的结构完整性。同时 还探讨了药柱在内外表面压强不相同情况下的变形情况。

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2   双基推进剂的粘弹性理论

2.1  粘弹性材料的力学性质

2.1.1 粘弹性材料概述 对于一般的聚合物，其性状可用四种模式来表示，即：线性弹性、非线性弹性、线性粘

性、非线性粘性，而当聚合物受到应力，同时表现出弹性和粘性时，就要一种新模型来描述 其特征：粘弹性（线性/非线性）。粘弹性材料便是在特定温度和载荷下同时表现弹性和粘性 的物质，其原因是聚合物分子运动存在松弛特征。双基推进剂就是一种典型的粘弹性物质。