Bench Rocketry - 本徹火箭工程部 資料整理……part2

來談談小固推常用的承壓殼體材料。
　　固推背後的原理相對簡單，一旦推進劑類型、藥柱外徑、藥柱高度、藥柱中心孔、噴喉直徑這五個參數定下來，理想情況 (不染不燙不奇形怪狀……阿呸，是不爆炸沒有燃燒延遲沒有燃燒不穩定而且推進劑品質過關)下的燃燒時間與每個時間點對應的推力(以及燃燒室壓力)就已經決定了，剩下的問題是要如何讓這些推進劑發揮出最接近理想的表現。

　　首先殼體得扛柱發動機工作時的內部壓力 (不然會爆炸)，其次發動機工作時熱會往外傳，大部分的材料在高溫下強度都會降低，因此還得考慮隔熱 (不然還是會爆炸)
大部分的固推，從沖天炮到SRB都至少會有三個部分，承受壓力的圓柱形管子，將管子前方封死的堵頭，以及在後端控制氣體排出的噴嘴。
　　通常設計發動機的第一步就是找有能力入手的管材……目前有摸過 (比較常見)的材料大概有四種: PVC機、PPR機、鋁機和鋼機。
　　PVC和PPR都是塑膠，本身就有相對不錯的隔熱性能，因此藥柱的隔熱問題可以先忽略不計，可以直接將推進劑灌入殼體中，發動機結構也因此不會太複雜。當然有一好沒兩好。這麼做的後果就是發動機只能一次性使用，不過很低的成本與很短的製作時間也彌補了這一點。
　　同時這兩種管材每一種規格能承受多少內壓通常都可以查到，在設計時也可以省下不少功夫，不過建議不要讓燃燒室壓力頂到極限，拿來當固推畢竟會在高溫下工作，管材不可能能扛住常溫下能承受的最大壓力。
　　以PVC管材為殼體的小型固推可能是很多新手入坑時都會碰過的東西(通常也會是第一種接觸的) ，因為PVC管材在日常生活中應用實在太廣，很好買到也很便宜。加工起來也非常方便，一些簡單的工具配合手工就可以做不少事情。
　　低成本、易加工、很好買到、製作時間短 (很快就能看到發動機噴火，即使失敗了也能在很短的時間內修正設計在做一個，對建立新手引起興趣與獲得回報的正循環很有幫助)，好像也不能再要求什麼。
　　以台灣而言，最大宗的PVC管材製造商是南亞塑膠，常見的規格有壁厚2mm的電線管以及4mm厚的水管，管徑則以英吋標示，從小到大有不同的規格。
　　但問題就在這。管材的壁厚如果不變，隨著直徑的增大，耐壓能力會下降，因此PVC機不可能做得太大，大約到1英吋左右就是極限了。
想把PVC的極限榨乾還可以考慮多層PVC管然後在裡面填環氧樹脂的操作，但……很麻煩，換材料比較實際
　　PPR管材，首先，台灣買不到，沒有人在用也沒有工廠生產。它是中國的供水系統用的，也很便宜(意思是買管子很便宜……買了之後需要付的運費就不是那麼一回事了)，拿高壓熱水管來用就行，燃燒室壓力可以直上2Mpa。
　　裁切建議上電動工具，雖然本質依舊是塑膠但是誇張的厚度會是個不小的體力勞動，剩下的加工方式大體和PVC相同。

金屬機的部分:
　　首先不管是鋁機還是鋼機都必須採用無縫管，這是為了安全，有縫焊接管太危險了。其次就是金屬機肯定得用到車床加工，要嘛自己車，要嘛就得畫圖紙請別人幫忙車。我找不到(分明是白嫖不到……)車床，因此採用的是第二種方案。第三，金屬的導熱性非常好，而在高溫下材料強度會大幅降低，因此燃料禁止直接和殼體接觸，必須有周全的隔熱措施。如何設計隔熱層使殼體保持低溫，很多愛好者都有自己的方案。
　　塑料管的特性在這裡又一次派上了用場，因為只需要隔熱，承壓部分由金屬殼體完成，有些人會使用薄的PVC管材做為藥柱模具，製備完成後再放入殼體內。PVC的隔熱性只能算堪用，而且必須預留足夠的厚度來確保隔熱效果，但就成本與工作量而言已經是不錯的選擇了。
　　鋁機常見的材質是6061鋁合金，在單位強度下重量比鋼輕，效率較好，比鋼軟比較好加工。問題出在鋁不耐高溫這點上。6061鋁合金的熔點不會超過650度C，而強度在200度C下已經慘不忍睹了，對火箭發動機的工作溫度而言實在是相當慘烈。即使藥柱的隔熱措施做好，在噴嘴處等燃氣一定會通過的地方仍然會將殼體加熱，而因為材料特性的緣故殼體的耐壓強度其實會隨著一次次的使用而逐漸降低，因此也建議一次性使用。
　　在能自己使用車床加工或加工費不高的情況下這點問題不大，但在加工費比較高的地方就……這也是之後跑去用鋼機的原因。當然能用的材料也不只有這些，碳纖管是個不錯的選擇，但目前幾乎買不到能耐高壓的碳纖管，必須自己做(沒錢沒時間)
鈦合金?……太高貴了我也希望自己能玩得起啊~(苦笑)

原文轉貼自: Bench Rocketry - 本徹火箭工程部