固体火箭发动机推进剂浇注实验装置设计研究

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本文选题来源于国家自然基金项目“固体火箭发动机推进剂插芯成型孔洞缺陷形成与控制机理研究”。固体火箭发动机因其结构复杂,制造成本高,实验条件复杂、难度大,实验成本极其昂贵等原因很难实现大量重复性实验,不能获得大量生产中的研究数据。为了生产出高质量高可靠性的固体火箭发动机,本文通过设计浇注实验装置,明确在实验中温度、真空度、时间与插芯速度等因素对药柱气孔率等质量问题的影响规律,对验证基于数值模拟方法建立更合理的数值模拟模型,探究浇注插芯过程中药浆的成型机理,优化生产中的固体火箭发动机装药装备,提高固体火箭发动机浇注质量具有重要意义。具体研究内容包括:(1)根据固体火箭发动机药柱浇注插芯成型的实际生产工艺,确定实验装置应具有的浇注与插芯功能以及压力和温度的控制方式。(2)实验装置设计。包括真空缸整体设计、下料组件设计、插芯机构设计。下料斗组件包括下料斗设计、料斗架设计以及夹管阀的选型等;插芯机构设计包括升降平台组件设计、调平平台设计以及插芯支架等设计。(3)真空缸加热方案与加热结构设计。基于真空缸的初步设计,利用有限体积元法对真空缸四种不同加热方案进行分析比较,通过对比温度场数值确定出最优的加热方案,并确定真空缸加热结构。(4)基于包括有限元法和有限体积元法的数值模拟分析,对插芯机构和芯模进行了优化。以满足芯模与发动机轴心共线要求为目标,完成对插芯机构结构强化与芯模轻量化设计。(5)插芯机构热分析。基于优化后的插芯机构,利用热分析方法,针对插芯机构在20℃~57℃工作环境下,模拟计算插芯机构受到热应力与热应变引起芯模与发动机同轴度的问题,并验证机构设计的合理性。拟完成的实验研究工作将为实验验证浇注插芯过程数值模拟计算的准确性奠定基础,通过实验与数值模拟理论相结合,设计出避免引起孔洞缺陷的合理的浇注工装,从而提高装药质量、降低装药成本、缩短装药周期、降低装药污染,以达到高可靠性和安全性的推进剂装药技术的目的。
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