BM1設(shè)計(jì)總方案

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BM1項(xiàng)目介紹

v?BM1火箭

v?BM箭體設(shè)計(jì)

v?火箭控制草案

v?推進(jìn)劑設(shè)計(jì)

v?火箭基本能量與效能計(jì)算

v?火箭個(gè)體經(jīng)費(fèi)預(yù)估

v?發(fā)射場(chǎng)控制中心安排

v?人員安排

v?安全措施

v?應(yīng)急預(yù)案

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BM1火箭

火箭組成：火箭分為三個(gè)部分：降落傘倉(cāng)、載荷倉(cāng)以及燃燒室。火箭擁有飛控系統(tǒng)，上載有電機(jī)測(cè)速計(jì)數(shù)傳感器模塊、角動(dòng)量傳感器、壓力式傳感器、信號(hào)發(fā)射器等。

飛行控制：火箭指揮芯片依據(jù)自動(dòng)化控制程序?qū)鞲衅靼l(fā)來(lái)的電信號(hào)進(jìn)行分析控制電機(jī)改變尾翼的方向由此對(duì)火箭的飛行方向、角度進(jìn)行調(diào)節(jié)并實(shí)時(shí)向地面天線發(fā)送飛行數(shù)據(jù)。

火箭返回：火箭返回時(shí)采用開傘減速的返回方式，多種保障措施，火箭進(jìn)入自由落體時(shí)，壓力式傳感器檢測(cè)高度降低將立刻發(fā)送電信號(hào)到達(dá)指揮芯片，如壓力式傳感器出現(xiàn)誤差或故障未能使火箭開傘，那么測(cè)速儀將檢測(cè)到速度偏差進(jìn)行開傘，并且由于燃燒室推進(jìn)劑燃燒完后火箭質(zhì)心發(fā)生偏差，質(zhì)心由火箭下方轉(zhuǎn)移至火箭上方，角動(dòng)量傳感器檢測(cè)到大于70°的轉(zhuǎn)角后將立刻觸發(fā)開傘系統(tǒng)。在極特殊的情況下即使火箭所有傳感器失靈，程序臨時(shí)出現(xiàn)意外以及指揮芯片損壞芯片或出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題……地面觀測(cè)站發(fā)現(xiàn)問(wèn)題將第一時(shí)間觸發(fā)手動(dòng)開傘，信號(hào)將在3.33564095198152e-7秒到達(dá)火箭降落傘的備用應(yīng)急點(diǎn)火裝置，觸發(fā)降落傘彈出，降落傘將在0.5秒內(nèi)被彈出3秒內(nèi)完全展開

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BM1箭體設(shè)計(jì)

火箭整體：總長(zhǎng)1.5m直徑達(dá)10cm外殼厚度0.2cm

整流罩設(shè)計(jì)：整流罩采用3d打印制造，材料使用一般的3d打印用的碳纖維尼龍。整流罩呈流線形直接采用以太LYBing的設(shè)計(jì)

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連接器設(shè)計(jì)：由緊固件連接詳情請(qǐng)見實(shí)體模型但還在優(yōu)化當(dāng)中

載荷倉(cāng)設(shè)計(jì)：處于模型優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中

載荷倉(cāng)與燃燒石連接處設(shè)計(jì):由緊固件連接，詳情請(qǐng)見3d模型

燃燒室設(shè)計(jì):燃燒室采用PAN基碳纖維。碳纖維通常采用先驅(qū)體紡絲工藝制備。按照先驅(qū)體的不同，分為聚丙烯腈基碳纖維，瀝青基碳纖維和人造絲碳纖維PAN抗拉強(qiáng)度/gpa3.5~8.0。彈性模型gpa/230~600，伸長(zhǎng)率0.6~2.0?；祭w維具有最高的強(qiáng)度和彈性模量。PAN碳纖維還具有纖維缺陷少，可編織性好，密度?。?.7~2.1g/cm2）每厘米耐疲勞，自潤(rùn)滑，耐磨損，吸能減震，尺寸穩(wěn)定，導(dǎo)熱性哈。導(dǎo)電性好等特性，相比PAN基碳纖維，瀝青基碳纖維的強(qiáng)度和彈性模型沒有優(yōu)勢(shì)。但仍需添加隔熱層因市面上碳纖維都有加入樹脂耐熱度低。

發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì):材料采用PAN基碳纖維，設(shè)計(jì)采用拉瓦爾噴管。收縮管與擴(kuò)張管的比例需計(jì)算機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M

尾翼設(shè)計(jì)：由步進(jìn)電機(jī)按自動(dòng)程序控制。

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BM-1火箭控制草案

飛行控制：火箭指揮芯片依據(jù)編寫的控制程序?qū)鞲衅鱾鱽?lái)來(lái)的電信號(hào)進(jìn)行分析自動(dòng)控制電機(jī)改變柵欄舵所朝的方向由此對(duì)火箭的飛行方向、角度進(jìn)行調(diào)節(jié)并通過(guò)自動(dòng)化程序控制用信號(hào)天線將飛行數(shù)據(jù)以無(wú)線電的方式發(fā)回三個(gè)地面站接收。

火箭發(fā)射程序：詳見附文

發(fā)射準(zhǔn)備 在發(fā)射前五小時(shí)左右到達(dá)發(fā)射場(chǎng)，布置場(chǎng)內(nèi)大同測(cè)控中心/大同一號(hào)測(cè)控地面站/古樓二號(hào)測(cè)控地面站/塔樓三號(hào)測(cè)控地面站/塔頂一號(hào)觀測(cè)站/古樓二號(hào)觀測(cè)站/塔樓三號(hào)觀測(cè)站

計(jì)時(shí)準(zhǔn)備 發(fā)射前1小時(shí)火箭安裝至發(fā)射塔，60分鐘時(shí)開始倒計(jì)時(shí)（打開冷卻風(fēng)機(jī)）60秒通電，啟動(dòng)程序啟動(dòng)傳感器打開柵欄舵

點(diǎn)火:30秒時(shí)解鎖發(fā)射密鑰，計(jì)時(shí)歸零觸發(fā)點(diǎn)火開關(guān)

起飛: 點(diǎn)火后起飛由各觀測(cè)站目測(cè)發(fā)射

上升段:由柵欄舵控制飛行姿態(tài)

返回階段:火箭返回時(shí)采用開傘減速的返回方式，多種保障措施，火箭進(jìn)入自由落體時(shí)，壓力式傳感器將檢測(cè)高度降低發(fā)送電信號(hào)到達(dá)指揮芯片，如壓力式傳感器出現(xiàn)誤差或故障未能使火箭開傘，但是由于燃燒室推進(jìn)劑燃燒完后火箭質(zhì)心發(fā)生偏差，質(zhì)心由火箭下方轉(zhuǎn)移至火箭上方，角動(dòng)量傳感器檢測(cè)到大于幅度的轉(zhuǎn)角（35°）后依然會(huì)觸發(fā)開傘系統(tǒng)。在特殊的情況下即使火箭傳感器失靈，程序臨時(shí)出現(xiàn)意外以及指揮芯片損壞芯片或出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題……觀測(cè)點(diǎn)地面站將第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問(wèn)題觸發(fā)拋傘系統(tǒng)，將在3.33564095198152e-7觸發(fā)火箭整流罩分離，降落傘在0.5秒內(nèi)彈出3秒內(nèi)完全展開

危險(xiǎn)事宜

整流罩分離破片墜落，推進(jìn)劑因氣泡發(fā)生輕爆炸，燃燒室過(guò)壓爆炸，控制系統(tǒng)異常錯(cuò)誤導(dǎo)航，風(fēng)速過(guò)大偏航，風(fēng)速風(fēng)量風(fēng)向突改導(dǎo)致程序控制錯(cuò)誤導(dǎo)航。

措施:

躲入掩體規(guī)避

建立掩體遠(yuǎn)離發(fā)射點(diǎn)

封閉附近道路

改進(jìn)開傘系統(tǒng)

改進(jìn)推進(jìn)劑工藝

采用更先進(jìn)的材質(zhì)

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推進(jìn)劑設(shè)計(jì)

BM1火箭推進(jìn)劑采用KN-UX，使用硝酸鉀KNO3（氧化劑）與葡萄糖C6H12O6（還原劑）

硝酸鉀：氧化劑不可自燃。本身屬?gòu)?qiáng)氧化劑，其氧化性遠(yuǎn)大于氧氣，因此不會(huì)被氧氣氧化，即不會(huì)在氧氣中燃燒。但當(dāng)［硝酸·鉀］和強(qiáng)還原劑（如［硫］、［炭］、［磷］）混合后，在受到外界的一定作用后（如受熱、摩擦）可能會(huì)發(fā)生較為劇烈的燃燒（此燃燒過(guò)程不需要外界提供氧氣），嚴(yán)重的還可能發(fā)生爆炸。所屬類別 :無(wú)機(jī)物硝酸鉀是鉀的硝酸鹽，實(shí)驗(yàn)式KNO3(硝酸鉀是離子化合物，并沒有分子，所以沒有分子量，只有式量)。外觀為透明無(wú)色或白色粉末，無(wú)味，比重（水=1）為2.11。在水中的溶解度為13 g/100mL（因溫度而異，溫度越高溶解度越高，在化學(xué)物質(zhì)之中，硝酸鉀溶解度變化是相當(dāng)明顯的）。潮解性較硝酸鈉為低，有冷卻刺激鹽味。溶于水，稍溶于乙醇。

中文名：硝酸鉀

外文名：potassium nitrate

別名：硝石、鹽硝、火硝

化學(xué)式：KNO3

相對(duì)分子質(zhì)量：101.10

化學(xué)品類別：無(wú)機(jī)鹽

管制類型：硝酸鉀(*)(易制爆)

?儲(chǔ)存：密封陰涼干燥保存

CAS號(hào)7757-79-1

熔點(diǎn)34℃

沸點(diǎn)400℃

相對(duì)密度2.109(水=1)

水溶液pH

室溫下為7

葡萄糖：葡萄糖是己醛糖,化學(xué)式C6H12O6,分子量為180,白色晶體,易溶于水,味甜,熔點(diǎn)146℃,它的結(jié)構(gòu)式：CH2OH—CHOH—CHOH—CHOH—CHOH—CHO

制備方式

真空燒注

真空系統(tǒng)在推進(jìn)劑藥漿中的應(yīng)用

東莞市普諾克真空科技有限公司的真空系統(tǒng)在推進(jìn)劑藥漿中的應(yīng)用進(jìn)行真空澆注。推進(jìn)劑藥漿為粘彈性流體，復(fù)合粘度隨推進(jìn)劑品種、配方特點(diǎn)、頻率范圍不同而呈不同變化規(guī)律，復(fù)合模量、損耗模量和貯能模量隨頻率增加均呈上升趨勢(shì)；損耗模量一般比相應(yīng)貯能模量高約一個(gè)數(shù)量級(jí)；貯能模量存在數(shù)個(gè)衰減峰；衰減峰與損耗角正切峰成對(duì)映。普諾克分析了推進(jìn)劑藥漿適用期、推進(jìn)劑特性。

進(jìn)劑具有下列特性：

①比沖量高；

②密度大；

③燃燒產(chǎn)物的氣體（或蒸氣）分子量小，離解度小，無(wú)毒、無(wú)煙、無(wú)腐蝕性，不含有凝聚態(tài)物質(zhì)；

④火焰溫度不應(yīng)過(guò)高，以免燒蝕噴管；⑤應(yīng)有較寬的溫度適應(yīng)范圍；

⑥點(diǎn)火容易，燃燒穩(wěn)定，燃速可調(diào)范圍大。

⑦物理化學(xué)安定性良好，能長(zhǎng)期貯存；

⑧機(jī)械感度小，生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸使用中安全可靠；

⑨經(jīng)濟(jì)成本低、原料來(lái)源豐富；

⑩若為固體推進(jìn)劑，還應(yīng)該有良好的力學(xué)性質(zhì)，有較大的抗拉強(qiáng)度和延伸率。常用的推進(jìn)劑主要有固體、液體兩種，少量固液混合體也在試用。

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推進(jìn)劑藥漿適用期指混合工藝結(jié)束后或加人固化劑后的固體推進(jìn)劑藥漿可允許進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)澆注成工藝的時(shí)間。適用期內(nèi)藥漿要滿足設(shè)計(jì)要求的可澆性和流平性，用藥漿具有的可澆性時(shí)間和可流平時(shí)間中較短的時(shí)間作為適用期，配方的固化特性是影響適用期的主要因素。

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真空系統(tǒng)是保證藥柱無(wú)氣孔、細(xì)密且具有杰出的力學(xué)功能和焚燒穩(wěn)定性的重要技能。

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真空澆注工藝的要點(diǎn)：

配料：嚴(yán)格按配料比例要求配料、計(jì)量準(zhǔn)確。

溫度：嚴(yán)格控制各工序溫度。

脫氣：務(wù)求脫氣干凈、徹底。

終混：務(wù)必在要求時(shí)間內(nèi)完成。要求混料均勻，但時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，否則 ，混合料粘度出現(xiàn)不預(yù)期增長(zhǎng)，影響工藝完成。

固化：必須達(dá)到工藝規(guī)定的時(shí)間和溫度。務(wù)必控制模具和混合物料的相對(duì)溫度。

固化完成，不可劇烈降溫，否則影響制品質(zhì)量。

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推進(jìn)劑藥柱需求構(gòu)造完好，藥柱的外表和內(nèi)部不得有孔隙、裂紋和海綿狀疏松安排，藥柱與焚燒室前、后封頭間的粘結(jié)界面不得有脫粘閃現(xiàn)，否則會(huì)影響發(fā)起機(jī)的內(nèi)彈道特性，嚴(yán)峻時(shí)會(huì)致使發(fā)起機(jī)爆破。在真空條件下，采用真空系統(tǒng)在推進(jìn)劑藥漿中的應(yīng)用是將推進(jìn)劑藥漿經(jīng)過(guò)花板渙散成很多細(xì)藥條，可以將推進(jìn)劑藥漿中混入的氣體隨時(shí)有效地排出，然后澆入焚燒室中，然后使制得藥柱中的氣孔減到起碼程度。在澆注過(guò)程中，發(fā)起機(jī)殼體放在真空缸內(nèi)，隨澆注技能的進(jìn)行，藥漿在不斷脫氣，真空澆注進(jìn)步了推進(jìn)劑藥柱的質(zhì)量，操控真空度也有利于保證藥柱質(zhì)量的重現(xiàn)性。

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機(jī)械的效率是對(duì)一個(gè)機(jī)械的重要性能指標(biāo)，這里說(shuō)明拉瓦爾噴管中的效率計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞

火箭效率計(jì)算方法

在任何機(jī)械的計(jì)算中，基本參數(shù)中總是會(huì)出現(xiàn)效率與這兩項(xiàng)，雖然能量與效率并不能非常有效的幫助我們獲得火箭的基本推力，但是它能幫助我們有效的評(píng)估此火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是否可用。

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這里首先要明白效率與損失的區(qū)別，上一篇文章我簡(jiǎn)述了誤差分析，但是效率表示有用功與總功的比值，在火箭噴管中表現(xiàn)為動(dòng)能與燃燒獲得化學(xué)能的比值。所以說(shuō)，效率包括損失但不完全包括損失。

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再說(shuō)一下能量的問(wèn)題，火箭主要依靠能量的轉(zhuǎn)換來(lái)前進(jìn)，它先是將儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)化為射流動(dòng)能，在從中獲得反推力。這里給出一些重要的公式。

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一：能量計(jì)算

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1:Pjet=m‘v22/2=Fg0Is2/2=Fv2/2

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Pjet:氣體射流功率，單位瓦

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m‘：發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量流量，單位千克每秒

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v2：發(fā)動(dòng)機(jī)平均排氣速度，單位米每秒。（注意不是等效排氣速度）

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F：發(fā)動(dòng)機(jī)推力，單位牛。

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g0：海平面重力加速度，單位m/s2（是一個(gè)常數(shù)，不用考慮高度變化）

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Is：比沖，單位秒

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推導(dǎo)到后面是不是非常熟悉（推導(dǎo)全過(guò)程有需要的話在評(píng)論區(qū)說(shuō)，我會(huì)在評(píng)論區(qū)介紹），就是噴射氣體的功率除以2。

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2：Pchem=m’Q

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Pchem：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)輸入功率，單位瓦

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Q：?jiǎn)挝毁|(zhì)量化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量與此燃料質(zhì)量的比值，可以理解為燃料熱值，單位焦每千克

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這個(gè)公式很好理解吧，熱值乘上質(zhì)量除以時(shí)間。

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3：Pvehicle=Fu

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Pvehicle:火箭發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)功率，單位焦

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u：火箭速度，單位米每秒

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這個(gè)公式就更不用說(shuō)了，瞬時(shí)功率的基本公式。

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二：效率計(jì)算

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1：ηcomb=Q0/Q

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ηcomb=燃燒效率，無(wú)單位

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Q0：燃燒的實(shí)際放熱，單位焦每千克

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這個(gè)公式也不需要細(xì)說(shuō)了吧，說(shuō)一下它的大概值，它一般都很高，97%左右。

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2:ηint=m’v22/2ηcombPchem

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ηint：噴管內(nèi)效率，無(wú)單位

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這個(gè)量反應(yīng)了輸入能量轉(zhuǎn)化為射流動(dòng)能的能力，是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中非常重要的一個(gè)參數(shù)。

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3:ηp=Fu/Fu+[m’（c-u）2/2]

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c：等效排氣速度，單位米每秒

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ηp：推進(jìn)效率

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這個(gè)公式反應(yīng)了可以用于推進(jìn)的動(dòng)量與能源消耗。確定多少排氣動(dòng)能用于前進(jìn)。

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