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第1章 绪论 1

1.1 固体推进技术基本概念 1

1.2 固体火箭发动机的系统组成 2

1.2.1 壳体 2

1.2.2 推进剂药柱 4

1.2.3 绝热层 5

1.2.4 喷管 5

1.2.5 点火系统 7

1.3 固体火箭发动机设计的任务及一般步骤 7

1.3.1 预设计（初步设计） 8

1.3.2 详细设计 9

1.4 固体火箭发动机的研制阶段 11

1.5 固体火箭发动机的基本要求 13

1.5.1 技术要求 13

1.5.2 生产经济要求 14

1.6 世界各国固体火箭发动机发展及关键技术 14

1.6.1 现代固体推进技术的发展 14

1.6.2 航天运载工具中的固体发动机 18

1.6.3 现代固体推进技术的内涵 22

1.6.4 固体推进技术的发展前景 25

第2章 总体设计 26

2.1 总体设计任务 26

2.2 发动机结构形式及其选择 27

2.2.1 发动机结构形式 27

2.2.2 选择发动机结构形式的原则 33

2.3 发动机主要设计参数选择 34

2.3.1 发动机直径和长径比的选择 34

2.3.2 发动机工作压强的选择 38

2.3.3 喷管扩张比的选择 39

2.4 壳体材料及其选择 46

2.4.1 常用的壳体材料 46

2.4.2 选择壳体材料的原则 49

2.5 固体推进剂的选择 50

2.6 药柱形式及其选择 54

2.6.1 药柱种类及其特点 54

2.6.2 药形的选择原则 61

2.7 发动机总体优化设计 62

2.7.1 优化准则和目标函数 63

2.7.2 能量特性 65

2.7.3 质量特性 69

2.7.4 设计变量 71

2.7.5 约束条件 71

2.7.6 优化方法 72

2.7.7 参数分析 76

思考题 79

第3章 药柱设计 80

3.1 概述 80

3.1.1 评估设计要求 83

3.1.2 装药的几个重要性能参数 83

3.1.3 几种典型装药总体参数的确定 86

3.1.4 选择推进剂 90

3.1.5 药柱构型选择和设计 90

3.1.6 药柱详细设计 91

3.1.7 药柱结构分析 91

3.2 二维药柱设计 92

3.3 三维药柱设计 98

3.3.1 三维药柱燃面计算的解析法 98

3.3.2 基于计算机图形学的装药设计 98

3.3.3 基于离散方法装药数值计算 98

3.4 几种小型发动机用的药柱 99

3.4.1 管形药柱设计 99

3.4.2 含金属丝端燃药柱 108

3.5 基于计算机图形学的装药设计 116

3.5.1 三维几何造型技术 117

3.5.2 药柱的变量化设计方法原理 119

3.5.3 几种常见药柱特征形体定义 124

3.6 基于离散方法装药数值计算 131

3.6.1 基于最短距离场的装药燃烧几何分析方法 131

3.6.2 Level Set方法 137

3.7 药柱的制造与验收技术要求 141

思考题 144

第4章 燃烧室设计 145

4.1 概述 145

4.2 燃烧室壳体结构 146

4.2.1 金属壳体结构 147

4.2.2 纤维缠绕壳体结构 152

4.3 金属壳体应力分析和强度计算 153

4.3.1 壳体承受的载荷 153

4.3.2 壳体壁厚估算 154

4.3.3 接头尺寸估算 155

4.3.4 应力分析 155

4.3.5 强度校核 156

4.4 金属壳体的爆破压强 157

4.5 高强钢的低应力爆破 160

4.5.1 断裂韧性概念 160

4.5.2 金属壳体的脆性断裂 162

4.6 燃烧室壳体的受热与内绝热层设计 163

4.6.1 传热简析 163

4.6.2 内绝热层厚度的确定 164

4.7 复合材料壳体设计 169

4.7.1 复合壳体设计任务 169

4.7.2 复合材料壳体设计数学模型 171

4.7.3 接头设计 185

4.7.4 裙部设计 188

4.7.5 壳体稳定性分析 188

4.8 燃烧室壳体制造和验收技术条件 189

4.8.1 一般要求 189

4.8.2 金属壳体的焊接和热处理要求 190

4.8.3 纤维缠绕室壳体加工要求 190

4.8.4 验收要求 190

思考题 191

第5章 喷管和推力控制装置设计 192

5.1 概述 192

5.2 喷管的气动设计 194

5.2.1 收敛段和喉部 196

5.2.2 扩散段 197

5.3 喷管的热防护设计 202

5.3.1 喷管的热环境 202

5.3.2 热防护层厚度估算 204

5.3.3 热防护材料 204

5.4 喷管的结构设计 210

5.4.1 支撑结构 210

5.4.2 连接结构 211

5.4.3 密封结构 212

5.4.4 喷管堵盖结构 213

5.4.5 粘接剂和密封剂 213

5.4.6 热防护结构 213

5.5 喷管分析 217

5.5.1 气动热分析 217

5.5.2 结构件分析 217

5.6 典型结构设计介绍 217

5.6.1 调节喷管 218

5.6.2 可延伸喷管 220

5.7 推力向量控制装置的要求和类型 222

5.7.1 推力向量控制装置的基本要求 222

5.7.2 推力向量控制装置的分类 222

5.7.3 推力向量控制装置的类型选择 223

5.8 摆动喷管 225

5.8.1 单轴摆动喷管 225

5.8.2 柔性喷管 227

5.8.3 液浮喷管 231

5.8.4 珠承喷管 233

5.9 流体二次喷射装置 234

5.9.1 液体二次喷射 234

5.9.2 气体二次喷射 235

5.10 推力终止装置设计 236

5.10.1 反喷管推力终止装置设计要求 236

5.10.2 确定反喷管的喉径 237

5.10.3 反喷管的打开机构 240

5.11 喷管分离流动计算 241

5.11.1 喷管的工作状态 241

5.11.2 流动分离状态 243

5.11.3 分离点参数计算 245

思题 249

第6章 点火与点火装置设计 250

6.1 固体火箭发动机的点火 250

6.2 点火装置分类与典型结构举例 254

6.3 电发火管及其选择 257

6.4 点火装置设计 260

6.4.1 点火药选择及其要求 260

6.4.2 点火药种类 260

6.4.3 点火药量的计算 262

6.4.4 举例 265

6.4.5 点火药盒 266

6.4.6 点火装置的保险机构 268

6.5 点火发动机 270

6.6 点火器计算机辅助设计 275

6.6.1 点火时间的计算 276

6.6.2 点火药的选择和点火药量的计算 276

6.6.3 点火器结构设计 279

6.6.4 点火药设计 281

6.6.5 点火药质量流率计算 283

思考题 285

第7章 可靠性工程设计技术 286

7.1 基本概念 286

7.1.1 可靠性的概念 286

7.1.2 可靠性工程设计 287

7.1.3 故障和故障模式 287

7.1.4 可靠性指标体系 288

7.1.5 可靠性定量指标 289

7.1.6 可靠性模型 292

7.1.7 可靠性分配和可靠性预计 293

7.1.8 可靠性工程设计的一般流程 294

7.2 发动机总体可靠性设计 295

7.2.1 发动机设计需求分析 295

7.2.2 研制任务书中的发动机可靠性指标体系 300

7.2.3 将第一级可靠性指标体系转换为第二级可靠性指标体系的方法 303

7.2.4 发动机研制的输入输出控制 311

7.2.5 发动机总体对各部组件的输入输出控制 314

7.2.6 控制发动机研制风险的措施 317

7.3 发动机部组件可靠性设计 319

7.3.1 部组件可靠性计算的一般流程 319

7.3.2 发动机部组件质量特性设计 320

7.3.3 发动机运输贮存阶段各部组件基本可靠性的可靠性预计方法 323

7.3.4 发动机在任务阶段的主要故障模式 327

7.3.5 可靠性预计方法 333

思考题 335

第8章 固体火箭发动机的热力计算 336

8.1 固体火箭发动机热力计算理论基础 336

8.1.1 固体推进剂的假定化学式 336

8.1.2 热力计算基本方程 337

8.1.3 燃烧室热力计算的一般步骤 342

8.2 燃烧室中平衡组分吉布斯自由能的计算方法 342

8.3 热力计算控制方程组 345

8.3.1 燃烧室热力计算方程组 345

8.3.2 喷管热力计算方程组 345

8.4 燃烧产物热力参数及火箭发动机理论性能参数计算 346

8.4.1 燃烧产物热力参数计算 346

8.4.2 火箭发动机理论性能参数计算 347

8.5 热力计算通用计算软件介绍 348

8.5.1 程序介绍 348

8.5.2 计算算例 349

第9章 固体火箭发动机内弹道计算 355

9.1 零维内弹道计算 355

9.1.1 点火计算模型 355

9.1.2 平衡段及拖尾段 356

9.1.3 计算方法 356

9.1.4 计算公式 357

9.1.5 分析讨论 359

9.2 双燃速内弹道计算 364

9.2.1 双燃速计算内弹道数学模型 365

9.2.2 内弹道计算方法 374

9.3 一维内弹道计算 377

9.3.1 内弹道计算模型 377

9.3.2 内弹道计算方法 379

9.3.3 算例 382

9.4 双燃速一维内弹道计算 384

9.5 燃气发生器内弹道计算 387

9.5.1 内弹道基本假设 387

9.5.2 基本方程 387

9.5.3 计算流程 389

9.5.4 算例 389

9.6 比冲效率计算 390

9.6.1 理论比冲计算 390

9.6.2 能量损失模型 391

第10章 药柱结构完整性分析 394

10.1 药柱结构完整性分析原始数据 394

10.2 固体推进剂药柱结构完整性初步分析方法 399

10.2.1 固体推进剂药柱基本载荷 399

10.2.2 药柱应力／应变的解析解 400

10.2.3 药柱破坏的判据 403

10.2.4 药柱内表面的破坏分析 404

10.3 结构完整性仿真计算方法 406

10.3.1 仿真软件介绍 406

10.3.2 结构完整性仿真计算过程的一般步骤 410

10.4 药柱结构完整性分析实例 411

10.4.1 完整性任务描述 411

10.4.2 发动机有限元模型 412

10.4.3 固化降温结构完整性分析 414

10.4.4 20℃点火时的结构完整性分析 417

10.4.5 —40℃点火时的结构完整性分析 418

10.4.6 结构完整性结果分析 425

第11章 固体火箭发动机数值模拟方法 426

11.1 控制方程 426

11.2 计算方法 427

11.2.1 不可压流计算方法 427

11.2.2 可压流计算方法 430

11.2.3 湍流模型 436

11.3 数值模拟软件和计算策略介绍 437

11.3.1 数值模拟软件介绍 437

11.3.2 数值计算的基本策略 438

11.4 固体发动机数值模拟应用 439

11.4.1 两相流数值模拟和燃烧不稳定大涡模拟 439

11.4.2 发动机高过载模拟 440

11.4.3 点火瞬态过程 441

11.4.4 推进剂燃烧详细计算 442

参考文献 444