第1章绪论
组合装药是指采用不同的药形和不同性能的推进剂制成的装药。组合装药可以满足固体推进剂单室多推力发动机设计的技术要求，可在单一燃烧室内燃烧并使发动机产生多级推力，满足战术导弹不同飞行弹道的需求，并使导弹结构紧凑、飞行效能高。组合装药设计与单级推力发动机装药相比，发动机推力和燃烧室压强随工作时间变化大，不同推力之间的过渡段需要合理设计与计算[1，2]。多推力的过渡段有多种过渡形式，有的需要采用不同的燃面和不同推进剂混合燃烧的设计，导致多推力发动机组合装药设计计算步骤多，内容也较复杂。
1.1多推力组合装药概述
国内外的战术导弹采用单室多推力固体发动机较多，包括单室双推力发动机、单室三推力发动机等。此外，单室四推力发动机已完成研发，也有较强的需求背景。这些发动机装药与单级推力发动机装药相比，需要满足的指标参数较多，推力和压强随时间的变化*线也比单级推力发动机更加复杂[1]。
1.1.1多推力组合装药的分类
1.单室双推力组合装药
单室双推力组合装药，由发射级药柱和续航级药柱组成，发射级药柱燃烧时，发动机要为导弹发射提供足够的推力冲量，使其达到预定的初始速度；续航级药柱则为导弹巡航飞行提供飞行动力，以达到长时间保持导弹发射后获得的较大飞行速度，并满足射程要求。
单室双推力组合装药的推力*线如图1-1-1所示。
图1-1-1单室双推力组合装药推力*线
2.单室三推力组合装药
单室三推力组合装药在发动机工作中连续产生三级推力，简称三推力组合装药，其有两种形式。
**种形式是**级为发射级，满足导弹发射动力要求；第二级为增速级，工作时发动机产生增速动力，使导弹在发射后再增速，以获得更大的飞行速度；第三级为续航级，导弹在续航飞行时，可保持高速飞行，从而达到增加导弹射程或缩短导弹飞行时间的目的。
这种三推力组合装药弹道*线如图1-1-2所示。
图1-1-2发射-增速-续航型单室三推力组合装药弹道*线
第二种形式是发射级*先工作，其次是续航级，*后是加速级。这种推力方案可使导弹长时间续航飞行，进入加速级高推力飞行后，导弹具有较大的飞行过载，增加对导弹在飞行末段的控制力。这种三推力组合装药推力*线如图1-1-3所示。
图1-1-3发射-续航-加速型单室三推力组合装药推力*线
3.单室四推力组合装药
单室四推力组合装药是在单室三推力组合装药的基础上研发的。在导弹发射、增速和续航三级飞行后，具有较高的飞行速度，再通过装药的第四级工作，增大导弹飞行过载，增加对导弹的控制力。对采用杀伤爆破类型战斗部的导弹，第四级装药工作产生的动力，将增加导弹的着靶速度，增大战斗部的毁伤效果。单室四推力组合装药推力*线如图1-1-4所示。
图1-1-4单室四推力组合装药推力*线
1.1.2多推力组合装药的弹道性能参数
1.组合装药弹道性能参数要求
单室多推力发动机设计中，各级装药弹道参数要求包括：
(1)发射级平均推力和燃烧时间；
(2)增速级平均推力和燃烧时间；
(3)续航级平均推力和燃烧时间；
(4)加速级平均推力和燃烧时间；
(5)发动机总工作时间；
(6)发动机总推力冲量。
2.燃烧时间参数
在发动机设计技术要求中，各级工作时间要求是根据导弹飞行弹道需要合理分配的结果。恰当选择多推力组合装药药形及推进剂燃烧速率(简称“燃速”)，才能满足各级工作时间要求。
1)发射级时间
发射级要在导弹发射的初始瞬间，为导弹发射提供较大的初始推力冲量，以保证足够的发射初始速度。有的导弹发射，要求发射级工作在发射筒内结束。在各级工作时间中，发射级工作时间*短，大多在0.6s以内。
2)增速级时间增速级的工作时间要比发射级长。由于导弹的飞行弹道和飞行要求不同，增
4速级工作时间也不同，一般在1～5s。在增速级工作时间内，继续使导弹增速并使导弹尽快飞离载机或其他发射平台。由增速级为导弹飞行提供的较大推力和冲量，使导弹保持较高的飞行速度，以缩短导弹飞行时间。
3)续航级时间
续航级的工作时间*长，现装备的导弹续航级时间多在12～28s，有的续航时间更长。在这一飞行时间段，可保持导弹高速平飞或等速飞行，使其达到足够的射程。
4)加速级时间
加速级时间常根据导弹的飞行末速和使用过载要求而定，使导弹在飞抵目标时具有足够的飞行速度和使用过载，保证导弹在歼毁目标时具有足够的控制力。
5)发动机总工作时间
由装药燃烧形成的发动机总工作时间，包括装药起始燃烧压强上升段时间、各级工作段时间、各转级的过渡段时间和熄火后(燃终)压强下降段时间。各工作时间由设计的各级药柱燃层厚度和推进剂燃速决定，其余各阶段时间，由经验公式计算或根据药形和燃速进行推算，详见各设计实例。
3.各级动力推进参数
发动机设计技术要求给出的各级平均推力参数，是根据导弹飞行弹道需要确定的。恰当选择各级推进剂的燃烧性能和能量特性参数，合理确定各级装药燃烧面积，才能保证各级平均推力参数满足设计技术要求。
1)发射级平均推力
一般发射级平均推力较高，在发射时间内尽量提供较大的推力冲量，以保证导弹发射时具有较大的初始速度，克服风偏对导弹发射的影响，使导弹飞行很快进入受控区域。
2)增速级平均推力
增速级平均推力要略小于发射级平均推力，其效能是进一步增加导弹的飞行速度，在导弹进入续航飞行时巡航速度更高，在相同飞行时间内飞行时间短、射程远。
3)续航级平均推力
续航级平均推力*小，工作时间*长，装药质量*大，为导弹射程提供足够的推力冲量。
4)加速级平均推力
单室三推力(发射-续航-增速型)和四推力发动机*后一级的平均推力较大，常要求导弹飞行弹道飞行速度高，以提高导弹飞行后段的过载，增加对导弹的控制力。
5)推力比
推力比作为装药设计技术要求的参数之一，一般指发射级平均推力与续航级平均推力之比。推力比越大，组合装药发动机的使用范围越大。目前，多推力组合装药发动机的*大推力比已达到16∶1。
6)发动机总推力冲量
发动机总推力冲量是各级推力冲量之和，是保证达到射程的*重要的指标参数之一。它主要由各级装药的能量特性和发动机的工作效率决定。
1.1.3多推力组合装药设计的步骤和内容
1.续航级装药设计
多推力组合装药的设计步骤要比单级推力装药多。在各级装药中，续航级推力*小，装药药形多为端面燃烧，工作过程中燃烧的压强较低，为保证装药稳定燃烧，续航级装药工作压强要大于续航级推进剂的临界压强，从续航级开始设计更方便。对于推力比较小，过渡段的不同推力级之间，具有不同燃烧性能的推进剂和不同燃烧面积混合燃烧特性的组合装药，也可从高推力级开始设计。
2.设计计算顺序
对*高推力的发射级，计算*大压强，当*大压强高于发射级所选推进剂使用压强范围的上限时，需要进行调整，使发射级装药的*大压强低于推进剂使用压强范围的上限，避免压强过大，推进剂燃速压强指数(简称“压强指数”)过高，使得装药工作不可靠。
3.设计计算步骤
为适应产品研制过程，将组合装药设计连同发动机设计一起分成两个阶段：**阶段为初步设计，第二阶段为详细设计。在初步设计阶段，根据发动机设计技术要求，计算出初步结果，包括装药结构、药形参数和发动机主要性能参数，即根据设计技术要求，初步选定推进剂的有关性能，如比冲、燃速、压强指数、密度和压强温度敏感系数等。在详细设计阶段，根据所选推进剂燃烧性能测试结果进行详细设计计算，包括用燃速测试结果修正初步计算中的弹道性能参数；再根据装药燃面随燃层厚度变化的逐点数据，结合推进剂的实测性能，计算组合装药发动机的推力和压强随时间变化的逐点数据，绘出推力和压强随时间变化*线，其变化规律和弹道参数计算结果都应满足各项设计技术要求。由此可见，其设计内容也较单级推力装药的内容更多。
4.设计计算内容
在详细设计计算内容时需要更加全面，包括起始燃烧压强和推力上升段、级
6间转换过程的过渡段和燃终压强下降段等各项参数，以及计算压强和推力随时间变化的逐点参数等。
5.设计计算重点
组合装药发动机的内弹道*线是设计计算中*重要的内容。*先，需要计算出组合装药各级药柱燃烧面积随燃层厚度变化的逐点数据。其次，根据燃层厚度和所对应的燃烧面积等参数计算出燃速，依次确定对应燃层厚度的燃烧时间、压强和推力。*后，获得该组合装药发动机的推力及压强随时间变化的逐点数据。
计算组合装药各级药柱燃烧面积随燃层厚度变化量的方法较多，较直观的一种方法是三维图形法。利用通用三维作图软件，绘制各级药柱分层燃烧各燃烧层的图形，同时给出各燃层的燃烧面积，获得各级药柱燃烧面积随燃层厚度变化的逐点数据。另一种方法是采用固体推进剂发动机程序进行计算，根据计算要求输入各种推进剂性能参数和装药药形结构参数，由计算机完成计算，同时给出组合装药发动机的弹道*线。
有关具体设计计算步骤和内容见第2章典型组合装药设计实例。
1.1.4多推力组合装药设计的理论依据
多推力组合装药发动机，同单级推力发动机一样，都是根据固体推进剂发动机原理，固体推进剂装药在燃烧时间内燃烧，将推进剂的化学能转化成热能；生成的燃气流进喷管时，又将热能转化成动能，产生反作用推力冲量，形成发动机的反作用推进动力。根据此理论，在准一元流的假设下，推导出各项设计计算公式，这些公式对多推力组合装药和发动机的各项设计计算同样适用。在初步设计阶段的计算通常采用工程计算方法，经推导将发动机的弹道性要求参数和发动机对推进剂设计技术要求中的参数直接联系起来，形成工程计算公式，与理论计算公式相比，设计计算更为方便直观。
常用的工程计算公式主要包括以下计算式。
(1)推力工程计算式：
(1-1-1)
式中，为平均推力；为推进剂燃速；为推进剂密度；为装药燃烧面积；为推进剂比冲。可将称为推进强度，将称为密度比冲，可见平均推力是由这两项的乘积决定的。当装药的燃层厚度确定后，燃速决定了装药的燃烧时间。设计计算就是按照指标参数与这些参数间的联系，进行计算和协调确定的。
(2)压强工程计算式：
(1-1-2)
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