简易碳/碳喷管介绍

本文介绍了法国欧洲动力公司和美国联合工艺公司化学系统分公司各自进行研制的一个共同项目中,一种航天发动机简易碳/碳喷管实例。这个项目以1977年6月13日进行喷管。的高空模拟试验而告结束。这个喷管是迄今已试验过的嗽径为48.6毫米(1.912英寸),膨胀比超过99:1类型中最简单、重量最轻的喷管。从喷管的最前端到出口面,气流流经的路径仅仅是由两个碳/碳部件[一个四维(4D)增强的整体喉衬和一个二维(2D)增强的出口锥]组成。这两个部件的总重只有4.4公斤。     

印度研制的碳酚醛模压喷管喉部入口段烧蚀层

碳酚醛复合材料由于高的耐烧蚀性,已广泛地用作能承受严酷加热环境的火箭喷管烧蚀层。烧蚀层可用布带缠绕或玫瑰花瓣模压制成,从而获得按要求取向的叠层受气流作用。固体火箭发动机潜入型喷管喉部入口段由于燃烧产物的环流作用,不得不经受严酷的加热环境和粒子冲刷,这要求具有各向异性的烧蚀层材料能均匀烧蚀,预防改变气流路线。目前使用的材料有碳/碳或碳酚醛,尽管3D碳/碳具有所要求的各向异性和耐烧蚀性,但需专用工艺设备,并且价格昂贵。印度已将可变叠层取向的两层或多层碳酚醛烧蚀层用于大型喷管。     

NOVOLTEX 三维碳-碳整体式喉衬和出口锥试验

法国欧洲动力公司研制出一种商标为 NOVOLTEX 的性能优异的新型三维增强碳-碳材料,这种材料的超细编织结构可以制成很薄的喷管出口锥,同时它也象常规三维碳-碳材料一样,适合制作喉衬等部件。它的优异性能,可使其设计制成的入口段、喉衬、出口锥组合成一个整体式喉衬和出口锥(ITEC).本文报导了美国空军宇航实验室对 NOVOLTEX 作为 ITEC 的评定结果。     

喷管内衬碳／酚醛的烧蚀模型

本文根据气动热化学烧蚀机理建立了固体火箭喷管内衬碳/酚醛的炭化烧蚀模型,并进行了扩张段的烧蚀率和温度分布预示计算.碳/酚醛受热时形成炭化层、热解层和基体层,主流和热解气体中具有氧化性的组分在表面与碳发生异相反应,材料的消耗带走了大量的热,有效地保护了基体.采用化学动力学控制的三方程模型、建立了化学反应质量计算方程;采用多层复合结构的瞬态导热方程和坐标变换的方法处理烧蚀移动边界,温度场计算方程;由壁面上的能量守恒关系,取得了烧蚀和温度场的耦合.通过计算,获得了烧蚀率、壁温随时间和沿喷管扩张段长度的变化,以及喷管扩张段材料内部的温度分布.导热方程用隐式格式求解,大大节省了计算机时.     

碳/碳材料体积烧蚀实验研究

通过实验手段研究了体积烧蚀在材料内部造成的微结构演变情况。给出了材料微结构沿烧蚀轴线方向的分布规律。研究了体积烧蚀对碳／碳材料烧蚀性能的影响。结果表明：服役条件下碳／碳材料发生体积烧蚀会使材料内部的密度、石墨化程度等发生变化，这些微结构变化对材料整体烧蚀性能的影响存在复杂的耦合效应。体积烧蚀对碳／碳材料整体烧蚀性能的影响并不总是消极的，在一定条件下反而有利于材料烧蚀性能的提高。通过本文的研究能够有效的提高碳／碳材料的烧蚀性能理论预测的精度。     

固体火箭发动机喷管用聚丙烯腈原丝材料的研制

本文介绍了聚丙烯腈原丝碳布酚醛复合材料的研制和鉴定.研究结果表明,这种材料是比人造纤维原丝碳布酚醛复合材料性能更好的一种烧蚀材料,可用它作为固体火箭发动机喷管的主要烧蚀材料.     

日本研制一种新型碳/碳耐高温复合材料

日本宇宙开发事业团在研制“大和”小型航天飞机上,采用了一种碳/碳耐高温复合材料。该材料拟用在发动机喷管和航天飞机返回大气层时承受高温的壳体主翼底面等处。此种复合材料采用将碳纤维浸入碳粒子之中的方式,使烧蚀趋近于零,强度也相当     

固体火箭发动机碳/碳喷管喉部表面消蚀的气热化学分析

本文对先进大型固体发动机碳/碳喷管喉部的消蚀过程进行了气热化学分析,分析认为碳/碳喷管喉部表面消蚀的主要原因是水蒸气对碳的化学侵蚀.分析过程中应用了几个专有的数值计算程序,并用碳/碳材料表面消蚀速率和表面粗糙度的实验结果作了验证.计算结果表明,在模型中采用的从点火开始时平滑的初始碳/碳材料表面的层流附面层转变为稳定工作时粗糙的烧蚀碳/碳表面的紊流附面层状态时的假设,使实测消蚀数据和预测值十分吻合.     

编织碳/碳喷管的研制

本报告讨论了一种先进的碳/碳材料的研制及其在固体火箭发动机喷管中的应用。这项研制工作是莫顿·锡奥科尔公司瓦沙奇分部研究与发展计划的一部分。1981年,莫顿·锡奥科尔公司研制的二维碳/碳出口锥成功地通过了试验。但是,这种材料缺乏足够的轴向刚度,并显示出较低的层间强度。因此,进一步研制了一种新的使用整体轴向和径向碳纤维的连续四维编织物。材料的特性试验表明,这种材料具有突出的力学性能:抗拉强度为2.068×10~8Pa,而且有较高的破坏应变和较低的模量。喷管用机械加工方法预制成型,因而制造成本较低,研制投产时间较短而且材料价格便宜。另外,由于排除了人为因素在生产过程中的影响,因而具有较高的可靠性。通过喷管内轮廓上纤维束的定向排列可以得到近似的编织形状和厚度的部件。为1985年静态试验用的整体喉部出/入口锥(ITEC)和常规出口锥构件已经制成。     

美国固体发动机碳/碳喷管材料现状

本文是关于美国碳/碳喷管材料近况的综述文章。原文没有作者,所以也没有出处,标题是我们自己加上的。本文是我国的一位专家从国外带回的一位美国教授整理的资料。我们在内容和文字上做了些精减,但据我们对美国碳/碳喷管材料现状的了解,这是一篇较为难得的材料。对于从事碳/碳材料研究的人员,可以较为真切地了解多维编织,浸渍碳化复合工艺的动向;对于使用碳/碳材料的设计人员也许可以从中吸取一些对设计工作有益的经验。将碳/碳复合材料成功地用于固体火箭喷管设计是一个很复杂的问题。这种碳/碳复合材料的特性是:在复合过程中,它要经受相似甚至大于火箭发动机工作时间的应力应变;因此进行喷管热结构分析时,要求充分熟悉这种复合材料是怎样制备的,此外,由于材料的基本组分因部位而异,也足以严重影响预测结构合理性的置信度等。本文介绍了为解决上述问题,多年未进行的相关的逻辑的成果。在所提及的三个主要项目中,阐述了其工业生产能力和最新的技术水平。这三个项目是:生产与质量保证;烧蚀预测与控制;结构设计与分析。最后又按这三大项的分类,或按其适用范围的方式,对本文提出的问题的各个方面作出总的评价。     

碳/碳复合材料喉衬烧蚀过程的数值分析及试验研究

喉衬是固体火箭发动机非常关键的部件。自20世纪60年代起,碳/碳复合材料即在固体火箭发动机中得到广泛应用。喉衬材料不仅要承受热负荷、力学负荷和热冲击,还要经受化学侵蚀。喉衬的烧蚀规律,尤其是烧蚀速率及烧蚀机理,对于火箭的研制具有重要意义。采用理论分析、数值仿真及试验研究相结合的方法,具体分析了某固体火箭发动机碳/碳喉衬的烧蚀过程。理论方面,将烧蚀划分为热化学烧蚀及机械剥蚀,建立能量平衡方程。借助商业软件MSCMarc,建立简化的边界条件,采用精确的材料参数,获得了喉衬的烧蚀速率。结果表明,喉部前端烧蚀最为严重,平均烧蚀率约为0.068 mm/s。采用微米CT三维重构技术,获得了试验前后喉衬形貌,得到了喉衬各点烧蚀率。数值结果同试验结果最大误差约为20%。考虑到数值模拟忽略了点火阶段及拖尾段对喉衬的烧蚀作用较小,数值分析得到的烧蚀率应大于实际。     

发射箱导轨用石墨填充碳/酚醛复合材料研究

采用石墨填充碳/酚醛模压复合材料技术成形导轨面材料,通过试验,研究和分析了材料各组分对材料摩擦磨损性能的影响。试验结果表明,在石墨含量为10%,碳纤维含量为30%时,石墨、碳纤维填充酚醛树脂复合材料的摩擦磨损性能、烧蚀性能较好,且摩擦系数低,适于用作导轨表面材料。     

石墨渗铜材料的烧蚀模型探索

根据石墨渗铜材料的特点,探索了它的烧蚀和传热模型。认为烧蚀计算可以不考虑铜与燃气的化学反应;导热计算按铜的液相、熔化、固相三层进行.在碳基材料热化学烧蚀模型和移动边界下当量热容瞬态导热方程隐式求解的基础上,对于石墨渗铜喉衬的复合结构全喷管进行了考虑粒子侵蚀下烧蚀与传热耦合的计算.     

Al2O3型碳/陶功能梯度材料烧蚀试验研究

Al2O3型影陶功能梯度材料作为一种新型喷管热防护材料，其具有导热系数较低及良好的隔热性能。在氧乙炔烧蚀试验条件下该材料有很好的耐烧蚀性，但由于发动机内的工作环境更为恶劣，为了更好地反映材料在固体火箭发动机中的烧蚀情况，该研究工作采用了试验发动机进行烧蚀试验。结果表明，试验发动机中获得的烧蚀率数据高于氧乙炔试验数据。文中在试验基础上分析了Al2O3型影陶功能梯度材料在发动机工作条件下的烧蚀性能及导热性能。     

低密度碳/酚醛复合材料的制备及其性能研究

以降低传统碳/酚醛复合材料密度为目的,在对复合材料密度进行理论分析计算的基础上,采用在酚醛树脂中添加轻质填料的方法制备低密度碳/酚醛复合材料,按照正交实验法对轻质填料含量以及复合材料制备工艺参数进行分析与优化。结果表明,分别采用聚丙烯腈基碳纤维和粘胶基碳纤维作为增强材料,研制的碳/酚醛复合材料的密度分别为1.339 g/cm~3和1.211 g/cm~3,拉伸强度分别为294 MPa和131 MPa,剪切强度分别为15.0 MPa和14.7 MPa,室温热导率分别为0.215 W/(m·K)和0.476 W/(m·K),200℃热导率分别为0.340 W/(m·K)和0.599 W/(m·K),氧乙炔线烧蚀率分别为0.011 mm/s和0.030 mm/s,复合材料密度降低的同时,其他性能满足固体火箭发动机喷管烧蚀防热材料的使用要求。     

陶瓷/陶瓷类绝热层新喷管的设想

本文评述了固体发动机喷管的设計。碳/碳材料引起的第一个突破是:使沿喷管内型面与燃气接触的耐烧蚀层具备了结构承载能力,使喷管成为承热结构,只是与燃烧室连接的部件需要绝热。很遗憾,如今用碳酚醛或硅酚醛材料制成的绝热层,因低溫下易炭化并逸出气体,所以它们的机械性能既低劣又不可預测。因此,喷管与燃烧室绝热连接处通常采用复杂的设計,它包括绝热的和金属的结构零件。目前出现一些新的、具有热稳定基体的绝热复合材料,由于这些材料在很大温度范围内具有结构承载能力,这将是喷管设計的第二个突破。本文评述了用陶瓷或碳纤维与基体制成的新的不炭化绝热材料,介绍了用这些材料设計新喷管的几个例子。它的优点是:设計新颖、简单,装配时间少,成本低以及分析預测性较好。     

欧洲动力公司研制出一种新型烧蚀材料

法国欧洲动力公司(SEP)研制出一种以聚苯树脂为基体的新型烧蚀材料。这一研究成果是欧洲动力公司在法国第三次复合材料全国会议上宣读的论文中公布的。聚苯树脂是欧洲动力公司研制成功的一种新树脂。与烧蚀材料通常使用的酚醛树脂相比,这种树脂含碳率较高,达78%;而酚醛树脂的含碳率只有60%。合成这种树脂的关键     

适用于检验石墨及碳/碳复合材料的改进射线照相法

本文叙述了空军材料实验室(AFML)在关于检测块状石墨及碳/碳复合材料微缺陷方面所进行的工作,提出了一些优良的射线照相法。用对比液体如四溴乙烷(TBE)浸泡,使影象质量及灵敏度有显著的改进,能分辩石墨中的微孔结构和微裂纹,并可提供较清晰的复合材料的编织型式。如果将试件埋置在已知射线照相均匀性和原子序数相近的材料中,当测定厚度有变化的部件(如鼻锥、喷管等)时,将有助于射线照相法。埋置方法使出现在相近厚度范围内的缺陷,具有更均匀的厚度。以便提高检测能力。摄影接触印相机与对比度大的感光乳剂配合在一起,可为检测微缺陷提供更多的信息。     

液体火箭发动机喷管延伸段C/C-SiC复合材料的性能

采用化学气相渗透(CVI)和液相浸渍裂解(PIP)混合工艺制备出三维针刺C/C-SiC(材料A、B)和C/C(材料C)复合材料,研究了复合材料的力学、抗热震和耐烧蚀等性能以及SiC涂层对烧蚀性能的影响,并采用扫描电子显微镜分析了材料的断裂面和烧蚀面形貌。结果表明,材料A(SiC基体含量较高)的性能较好,其弯曲强度、线烧蚀率及抗热震系数分别达到238.4 MPa、3.0×10~(-3)mm/s和35.3 kW/m。沉积SiC涂层后,材料A、B和C的线烧蚀率较之前分别降低33.0%、12.5%和37.5%。采用材料A+SiC涂层方案研制的喷管延伸段构件,进行780 s地面热试车考核,试车后构件结构完整。     

侏儒导弹的动力装置

本文介绍了美国侏儒导弹三级固体发动机的研制进展和主要性能,着重分析了发动机采用的石墨/环氧复合材料亮体、NEPE推进剂和碳/碳喷管等三项先进固体火箭技术。