超声速喷管的作用是将亚声速气流转变为超声速气流,它是火箭发动机必要构件。因此从理论上和工程实践上开展固体火箭发动机喷管的设计优化等方面的研究是十分必要的。本文开展了三方面的研究工作:首先,根据喷管设计的一般原理设计出口马赫数为3的轴对称超声速固体火箭发动机喷管,收敛段采用修正的维托辛斯基公式,喉部和扩张段采用80%长度的钟形型面,并通过Matlab编程实现了整个设计过程。同时利用流体仿真软件Fluent,对设计喷管的内部流场进行了数值模拟。模拟结果很好的展现了超声速喷管稳态下的速度场、马赫数、静温和静压场分布情况。模拟仿真得到出口马赫数为2.59,基本接近3,验证了喷管型面设计方案的可行性。其次,通过Fluent数值模拟分析喷管型面参数(收敛段长度、收敛段收缩比、初始扩张角)的改变对喷管流场的影响,分析得出单一因素改变对速度场和温度场产生的变化规律,采用响应曲面法进行喷管型面参数的优化设计,选择初始扩张角、收敛段收缩比为两个设计变量,喷管出口速度为响应值。当收缩比是1.82,初始扩张角是19.94°,喷管的出口速度最大,此时的最大值为232 8.84m/s。推力较优化前效率提高3.05%。最后,选择合适的隔热材料ZrO2来缓和喷管管壁受热变形。为了进一步说明隔热材料设计的价值,分别采用Fluent软件仿真模拟比较管壁有、无隔热层的瞬态温度场和通过Ansys Workbench平台仿真计算比较有、无隔热层喷管的结构变形。比较结果表明,燃烧到第1秒时两个温度差最大,有隔热层的管壁温度较之前下降了100℃左右,随着燃烧时间的推移,两者温差变小,到第6秒时有隔热层的管壁温度较之前下降了50℃左右。当选择合适隔热层后其管壁结构最大变形量下降了6%左右,由此可见合适的隔热层材料对缓和管壁受热变形的重要性。