固体火箭发动机设计教学视频
目录
教学视频
绪论(参考书目）
第一章总体设计(参考书目）
第二章装药设计(参考书目）
第三章 燃烧室设计(参考书目）
第四章 喷管和推力向量控制装置设计(参考书目）
第五章 点火装置设计(参考书目）
视频
绪论
第一章总体设计
第二章 装药设计
第三章 燃烧室设计
第四章喷管设计
第五章点火系统设计
视频选辑 火箭发动机总体设计
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视频选辑 装药设计
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视频选辑 复合材料壳体设计
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视频选辑 喷管推力矢量控制系统设计
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《固体火箭发动机设计》教学大纲
一、课程的教学目的
人类从钻木取火，到火药发明，到飞行器遨游太空，标志着人类对于能量的应用已经达到了前所未有的高度。火箭发动机是飞行器的动力装置，它自身携带氧化剂和燃料，可以飞越大气层，直达深空。火箭发动机设计课程是航空宇航推进理论与工程专业的一门必修的专业课，它要求学生必须具有火箭发动机原理、推进剂、测试、气体动力学、工程热力学、材料力学和机械设计等方面的知识。通过该课程培养学生综合应用所学过的知识来解决工程实际问题的能力。
通过该门课程的学习，可以使学生获得火箭推进装置结构特点和设计方面的专业知识，主要包括：
- 火箭发动机性能参数
- 固体火箭发动机总体设计和优化
- 固体推进剂
- 装药设计
- 燃烧室设计
- 喷管设计
- 推力向量控制系统设计
- 点火装置设计
- 可靠性设计
在教学过程中主要介绍发动机总体及部件的结构特点、设计原则、设计方法和工具。结合发动机的具体结构，使用先进的教学手段和科研成果，进行生动的教学，辅助于现场参观和实物教学，使学生获得全面的发动机结构设计方面的知识。
二、教学内容和要求
绪论
1 课程的性质，介绍本课程的特点和安排。
2 固体火箭发动机设计的任务基一般步骤，介绍发动机初步设计的任务及一般步骤。
3 固体火箭发动机研制阶段，主要介绍发动机设计的方案阶段、初样阶段、试样阶段和定型阶段的任务。
4 固体火箭发动机的基本要求，主要介绍发动机的技术要求和生产经济性要求。
第一章总体设计
1总体设计的任务，主要介绍发动机总体设计的任务、战术技术性能要求和约束条件，为发动机设计提供依据。
2 发动机结构形式的选择；主要介绍发动机主要结构形式的特点和选择原则，了解发动机发动机结构形式与用途和装药的关系。
3 发动机主要设计参数选择，主要介绍发动机总体参数选择，包括：直径和长径比选择、燃烧室工作压强选择、喷管膨胀比选择，了解总体参数的意义和选择原则；
4 壳体材料及其选择；主要介绍火箭发动机对材料的要求及常用的金属材料和非金属材料的特点，并介绍材料的选择原则。
5 固体推进剂的选择；主要介绍固体推进剂的分类，分别介绍了双基、复合和该性双基推进剂的性能特点和比较，并介绍了推进剂的选择原则
6 药柱形式及其选择，主要介绍药柱的分类特点和选择原则，并给出了几个基本概念。
7发动机总体优化设计，介绍优化设计的基本概念。针对发动机的应用主要从一下七个方面加以介绍：优化准则和目标函数、能量特性、质量特性、设计变量、约束条件、优化方法和参数敏感性分析。了解优化设计基本概念。
第二章 装药设计
1 概述，主要介绍装药设计的步骤和要求，介绍装药设计中涉及的基本概念和名词，简要介绍推进剂选择、药柱结构形式选择、药柱详细设计和结构分析的基本要求。
2 二维药柱设计，以星型装药为例，介绍装药设计所使用的方法。给出了星型装药设计的计算公式，分析了对星型装药燃面变化影响的几何参数，最后简要介绍二维药柱通用坐标设计方法。要求学生掌握如何利用平行层燃烧规律进行燃面退移分析。
3 三维药柱设计方法，主要介绍三维药柱通用坐标计算方法的原理，要求学生了解通用坐标法的基本概念。
4 几种小型发动机用的药柱，主要介绍管形装药和端面嵌金属丝装药的几何参数、燃面变化规律、原理和特点，并给出了设计的一般步骤。要求学生能够进行多根管状装药设计。能够对嵌金属丝装药平衡燃面进行计算。
5 药柱结构完整性分析，了解结构完整性分析的任务、推进剂的力学特性和破坏模式。
6 药柱制造与验收技术要求，了解推进剂配制要求、性能要求和制造验收要求。
第三章 燃烧室设计
1 概述，简要介绍燃烧室设计的步骤和基本要求。
2 燃烧室壳体结构，主要介绍金属壳体和纤维缠绕壳体的结构设计要求。要求学生掌握金属壳体的筒体结构、封头结构、连接结构和密封结构的特征以及设计方法。
3 金属壳体应力分析和强度计算，主要介绍壳体的承载类型、薄膜应力分析、强度设计和厚度计算。要求学生了解任意回转体薄膜应力的推导方法。
4 金属壳体的爆破压强，主要介绍利用塑性流动理论的有关准则分析壳体的爆破压强，要求学生了解爆破压强的基本概念。
5 高强度钢的低应力爆破，主要介绍低应力脆断的基本概念以及如何利用这一概念对壳体裂纹进行分析。
6 纤维增强复合材料壳体设计，简要介绍等应力封头的型面设计和圆柱段的正交网格强度分析方法，详细内容参见《纤维增强复合材料壳体的设计》课程。
7 燃烧室壳体的受热与内绝热层设计，主要介绍壳体的受热类型和考虑到炭化和烧蚀的一维不稳定热传导的绝热层厚度计算的理论模型。要求学生掌握烧蚀热防护的机理。
8 燃烧室壳体制造和验收的技术条件，简要介绍制造的工艺要求和验收的技术要求。
第四章 喷管和推力向量控制装置设计
1 概述， 简要介绍喷管的主要作用、喷管设计的主要内容、固体火箭发动机的推力控制装置的概念以及推力控制装置的要求。
2 喷管的气动设计，主要介绍喷管喉部、收敛段和扩张段的型面类型和特征以及设计方法。
3 喷管的热防护设计，分析喷管的受热环境并给出喷管对流换热的计算方法，简要介绍常用的热防护材料和热防护材料厚度的经验和半经验的设计方法。
3 喷管的结构设计，以几种典型的喷管结构为例，介绍喷管的结构特征和设计方法。
4 推力向量控制装置的要求和类型，简要介绍推力向量控制装置的基本要求、推力向量控制装置的分类和特点以及选择原则。
5 摆动喷管，主要介绍几种典型的摆动喷管结构特征、工作原理、优缺点和设计准则。
6 流体二次喷射装置，主要介绍液体二次喷射和气体二次喷射喷管结构特征、工作原理、优缺点。
7 推力终止装置设计，主要介绍推力终止装置的概念、斜切喷管的推力计算方法以及反向喷管打开机构。
第五章 点火与点火装置设计
1 固体火箭发动机的点火，主要介绍固体火箭发动机点火过程、点火装置的功能与设计要求、点火延迟期的理论估算方法，着重讨论影响点火延迟和点火压力峰的的各种因素。
2 点火装置的分类与典型结构举例，主要介绍了点火装置的组成，重点介绍了三种小型发动机用的点火装置结构特征，介绍了电发火管的构造和特性参数。
3 点火装置设计，介绍点火装置设计所涉及的主要内容，如：点火药的选择及其要求、点火药的种类、点火药量的计算、点火药盒的设计、点火装置的保险机构等。
4 点火发动机，简要介绍点火发动机的作用、点火药柱的设计、点火发动机质量流率盒点火发动机喷孔面积的确定方法。
第六章可靠性设计
由于本专业专门开设了固体火箭发动机可靠性设计课程，本章制作简要介绍。
1 基本概念，着重介绍可靠性设计所涉及的基本概念盒术语。
2 系统可靠性设计，简要介绍系统可靠性模型与可靠度计算、系统可靠性分配。
3 结构件可靠性设计，着重介绍强度的可靠性计算方法。
4 发动机性能可靠性评定，主要介绍可靠性评定方法。
三、 补充说明
1 教材内容略显落后，部分内容方法介绍过于简单，可以参见国防科技丛书《固体火箭发动机设计与研究》（上、下）。
2 结合固体火箭发动机的科研成果，用更新的方法和内容使教学更为生动，使用现代CAD技术和声像教学，提高教学效果。
3 因可靠性章节在专门的课程中介绍，故本课程可以略去不讲。
四、 实践性教学环节
1 本课程开始之前的专业下厂实习给本课程教学做了良好的铺垫。
2 本课程完成后安排的两周专业课程设计有助于巩固本课程所学的知识。
3 安排三次作业。
五、学时分配
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教学内容 |
讲课 |
习题课 |
小计 |
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绪论 |
2 |
0 |
2 |
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第一章 总体设计 1总体设计的任务 2 发动机结构形式的选择 3 发动机主要设计参数选择 4 壳体材料及其选择 5 固体推进剂的选择 6 药柱形式及其选择 |
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2 |
2 |
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第二章 装药设计 1 概述 2 二维药柱设计 3 三维药柱设计方法 4 几种小型发动机用的药柱 5 药柱结构完整性分析 6 药柱制造与验收技术要求 |
8 |
2 |
10 |
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第三章 燃烧室设计 1 概述 2 燃烧室壳体结构 3 金属壳体应力分析和强度计算 4 金属壳体的爆破压强 5 高强度钢的低应力爆破 6 纤维增强复合材料壳体设计 7 燃烧室壳体的受热与内绝热层设计 8 燃烧室壳体制造和验收的技术条件 |
8 |
2 |
10 |
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第四章 喷管和推力向量控制装置设计 1 概述 2 喷管的气动设计 3 喷管的热防护设计 3 喷管的结构设计 4 推力向量控制装置的要求和类型 5 摆动喷管 6 流体二次喷射装置 7 推力终止装置设计 |
8 |
2 |
10 |
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第五章 点火与点火装置设计 1 固体火箭发动机的点火 2 点火装置的分类与典型结构举例 3 点火装置设计 4 点火发动机 |
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2 |
6 |
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第六章可靠性设计 |
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40 |
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50 |
《火箭发动机设计》课程概要设计
一 . 课程背景
1.火箭发动机传统的教学模式，需要用视频教学来改进，已达到更好的教学效果。
2.视频教学兴起的快餐时代，正在改变着人类传统的教学模式。
3.以网络和视频为平台的当代大学生，需要短时间信息量大的接受培训的新路径。
二、课程目标
1.通过该门课程的学习，可以使学生获得火箭推进装置结构特点和设计方面的专业知识。
2.在教学过程中主要介绍发动机总体及部件的结构特点、设计原则、设计方法和工具。
3.结合发动机的具体结构，使用先进的教学手段和科研成果，进行生动的教学，使学生获得全面的发动机结构设计方面的知识。培养兴趣，拓宽视野。
三、设计原则
1.以固体火箭发动机结构、性能、设计方法和手段的介绍，课程内容设计重点针对具有能源与动力基础知识的本科及本科以上学生。
2.内容体系为总体及其部件设计准则和性能预估方法。
3.理论结合实践教学，通过实际发动机设计为例，大量介绍工程和产品发动机特点。
四、课程基本信息
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项目 |
摘要说明 |
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学分 |
2学分 |
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学时 |
48学时 |
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学时分配 |
在线学时（X学时）+见面课学时（x 学时） |
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课程类别 |
□√通识课 □专业基础课 R专业课 |
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学科属性 |
二级学科（航空宇航推进理论） |
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教学模式 |
混合式教学 |
五、课程团队
- 课程负责人
鲍福廷，教授。近年来主要从事火箭发动机相关领域的研究工作，主要在以下四个研究方向：固体火箭发动机设计和仿真、固体火箭冲压发动机设计分析、液体火箭发动机设计分析以及导弹发射动力系统研究。曾获国防科技进步奖6项，其中“固体火箭发动机总体优化设计CAD软件”2003年国防科工委科技进步三等奖；“变深度水下发射动力系统CAD软件”2005年国防科工委科技进步三等奖；“固体火箭发动机天弓设计软件”2014年国防科工委科技进步三等奖等。在《推进技术》、《固体火箭技术》、《西北工业大学学报》、《中国制造业信息化》、《计算机仿真技术》、SCI期刊源及国际学术会议上发表论文。主编《固体火箭冲压组合发动机》专著一部，41万字，宇航出版社出版2006年。主编《固体火箭发动机设计》专著一部，60万字，宇航出版社出版2016年。
- 主讲老师
刘旸 ，男，博士，副教授，主持和参与多项国家自然科学基金、973、博士后基金、总装预研、空装预研以及各研究院所横向课题，获得2014年度国防科技进步三等奖1项，并在国内外学术期刊上发表论文30余篇。
惠卫华 ，副研究员，就职于西北工业大学燃烧、热结构与内流场国防重点实验室。主要从事固体发动机设计、仿真及试验验证技术相关的教学和科研工作。研究方向集中在动力系统设计研制、发射动力系统研究及力学性能结构完整性分析。先后获得国防科技进步三等奖1项，军队科技进步三等奖1项。目前主持及参与的课题包括国家自然科学基金、国防基础研究课题、总装预研、火箭军预研课题、重点实验室基金等项目20余项；以第一作者身份发表论文18篇，其中SCI检索2篇，EI检索8篇。是《固体火箭技术》、《兵工学报》、《兵器装备工程学报》、《弹箭与制导学报》及International Journal of Turbo and Jet Engines期刊（SCI期刊）特约审稿人，IACSIT会员(International Association of Computer Science and Information Technology)。
石磊，男，副教授，副教授。主要研究方向为冲压与组合循环发动机一体化匹配设计及协同工作技术。近五年主持了863、军委科技委、国家自然科学基金面上项目、青年基金等多项国家级项目，在Progress in Aerospace Sciences、Aerospace Science and Technology、Acta Astronautica等高水平学术期刊发表SCI论文30余篇。
孙林，男，助理研究员，西北工业大学教师，主持XX科技工业基础产品XX计划XXX专项1项、国家XXX工程1项、陕西省自然科学基础研究计划青年项目1项、上海航天科技创新基金1项、中央高校基本科研业务费1项，另外负责国家某千万级重点基础研究项目1项。
魏然，男，助理研究员，西北工业大学。主要研究方向为固体动力系统多物理耦合仿真，涉及固体动力系统的燃面退移追踪与诊断、缺陷分析、内流场仿真、不稳定燃烧、可靠性仿真、虚拟试验技术、并行计算技术等研究领域。
六、 课程内容
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章号 |
内容 |
学习模式 |
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绪论 |
课程的性质，介绍本课程的特点和安排。 2 固体火箭发动机设计的任务基一般步骤，介绍发动机初步设计的任务及一般步骤。 3 固体火箭发动机研制阶段，主要介绍发动机设计的方案阶段、初样阶段、试样阶段和定型阶段的任务。 4 固体火箭发动机的基本要求，主要介绍发动机的技术要求和生产经济性要求。 |
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第一章 总体设计
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1总体设计的任务，主要介绍发动机总体设计的任务、战术技术性能要求和约束条件，为发动机设计提供依据。 2 发动机结构形式的选择；主要介绍发动机主要结构形式的特点和选择原则，了解发动机发动机结构形式与用途和装药的关系。 3 发动机主要设计参数选择，主要介绍发动机总体参数选择，包括：直径和长径比选择、燃烧室工作压强选择、喷管膨胀比选择，了解总体参数的意义和选择原则； 4 壳体材料及其选择；主要介绍火箭发动机对材料的要求及常用的金属材料和非金属材料的特点，并介绍材料的选择原则。 5 固体推进剂的选择；主要介绍固体推进剂的分类，分别介绍了双基、复合和该性双基推进剂的性能特点和比较，并介绍了推进剂的选择原则 6 药柱形式及其选择，主要介绍药柱的分类特点和选择原则，并给出了几个基本概念。 7发动机总体优化设计，介绍优化设计的基本概念。针对发动机的应用主要从一下七个方面加以介绍：优化准则和目标函数、能量特性、质量特性、设计变量、约束条件、优化方法和参数敏感性分析。了解优化设计基本概念。 |
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第二章 装药设计
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1 概述，主要介绍装药设计的步骤和要求，介绍装药设计中涉及的基本概念和名词，简要介绍推进剂选择、药柱结构形式选择、药柱详细设计和结构分析的基本要求。 2 二维药柱设计，以星型装药为例，介绍装药设计所使用的方法。给出了星型装药设计的计算公式，分析了对星型装药燃面变化影响的几何参数，最后简要介绍二维药柱通用坐标设计方法。要求学生掌握如何利用平行层燃烧规律进行燃面退移分析。 3 三维药柱设计方法，主要介绍三维药柱通用坐标计算方法的原理，要求学生了解通用坐标法的基本概念。 4 几种小型发动机用的药柱，主要介绍管形装药和端面嵌金属丝装药的几何参数、燃面变化规律、原理和特点，并给出了设计的一般步骤。要求学生能够进行多根管状装药设计。能够对嵌金属丝装药平衡燃面进行计算。 5 药柱结构完整性分析，了解结构完整性分析的任务、推进剂的力学特性和破坏模式。 6 药柱制造与验收技术要求，了解推进剂配制要求、性能要求和制造验收要求。
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第三章 燃烧室设计
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1 概述，简要介绍燃烧室设计的步骤和基本要求。 2 燃烧室壳体结构，主要介绍金属壳体和纤维缠绕壳体的结构设计要求。要求学生掌握金属壳体的筒体结构、封头结构、连接结构和密封结构的特征以及设计方法。 3 金属壳体应力分析和强度计算，主要介绍壳体的承载类型、薄膜应力分析、强度设计和厚度计算。要求学生了解任意回转体薄膜应力的推导方法。 4 金属壳体的爆破压强，主要介绍利用塑性流动理论的有关准则分析壳体的爆破压强，要求学生了解爆破压强的基本概念。 5 高强度钢的低应力爆破，主要介绍低应力脆断的基本概念以及如何利用这一概念对壳体裂纹进行分析。 6 纤维增强复合材料壳体设计，简要介绍等应力封头的型面设计和圆柱段的正交网格强度分析方法，详细内容参见《纤维增强复合材料壳体的设计》课程。 7 燃烧室壳体的受热与内绝热层设计，主要介绍壳体的受热类型和考虑到炭化和烧蚀的一维不稳定热传导的绝热层厚度计算的理论模型。要求学生掌握烧蚀热防护的机理。 8 燃烧室壳体制造和验收的技术条件，简要介绍制造的工艺要求和验收的技术要求。 |
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第四章 喷管和推力向量控制装置设计
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1 概述， 简要介绍喷管的主要作用、喷管设计的主要内容、固体火箭发动机的推力控制装置的概念以及推力控制装置的要求。 2 喷管的气动设计，主要介绍喷管喉部、收敛段和扩张段的型面类型和特征以及设计方法。 3 喷管的热防护设计，分析喷管的受热环境并给出喷管对流换热的计算方法，简要介绍常用的热防护材料和热防护材料厚度的经验和半经验的设计方法。 3 喷管的结构设计，以几种典型的喷管结构为例，介绍喷管的结构特征和设计方法。 4 推力向量控制装置的要求和类型，简要介绍推力向量控制装置的基本要求、推力向量控制装置的分类和特点以及选择原则。 5 摆动喷管，主要介绍几种典型的摆动喷管结构特征、工作原理、优缺点和设计准则。 6 流体二次喷射装置，主要介绍液体二次喷射和气体二次喷射喷管结构特征、工作原理、优缺点。 7 推力终止装置设计，主要介绍推力终止装置的概念、斜切喷管的推力计算方法以及反向喷管打开机构。
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第五章 点火与点火装置设计
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1 固体火箭发动机的点火，主要介绍固体火箭发动机点火过程、点火装置的功能与设计要求、点火延迟期的理论估算方法，着重讨论影响点火延迟和点火压力峰的的各种因素。 2 点火装置的分类与典型结构举例，主要介绍了点火装置的组成，重点介绍了三种小型发动机用的点火装置结构特征，介绍了电发火管的构造和特性参数。 3 点火装置设计，介绍点火装置设计所涉及的主要内容，如：点火药的选择及其要求、点火药的种类、点火药量的计算、点火药盒的设计、点火装置的保险机构等。 4 点火发动机，简要介绍点火发动机的作用、点火药柱的设计、点火发动机质量流率盒点火发动机喷孔面积的确定方法。 |
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