固体火箭发动机喷管传热与壁面烧蚀的耦合计算分析

为研究某型固体发动机在地面工作过程中喷管的受热与烧蚀,对其工作后140 s内复合喷管壁面受到管内高温喷流辐射与对流加热,以及发动机外部环境辐射与对流冷却条件下的壁面受热与材料热解烧蚀建立一维非稳态热分析模型进行计算分析。其中,喷管材料采用金属基体内衬高硅氧-酚醛复合隔热材料构成,高温喷流对喷管的辐射加热采用非灰参与性介质的封闭腔辐射换热模型计算,对喷管的对流加热采用巴兹公式计算,复合喷管壁面材料升温后的热解分为基体材料升温-基体材料热解-热解层炭化-Si O2熔融-炭化层脱落五个阶段进行分析。研究发现,喷管收敛段和喉部主要受到高温喷流的辐射加热,内壁辐射热流约为对流热流的2.5倍,喉部下游因喷流温度下降,速度激增,内壁对流热流超过辐射热流,在扩张段尾部,内壁的辐射热流再次超过对流热流;发动机工作过程中,喷管收敛段和喉部壁面的高硅氧-酚醛复合隔热材料随时间逐渐被烧蚀,烧蚀厚度随时间上升,喉部烧蚀厚度最大,140 s时烧蚀厚度达到8 mm,平均烧蚀速率为0.057 mm/s;喷管扩张段中后段喷流温度大幅下降,壁面内高硅氧-酚醛复合隔热材料未烧蚀;沿喷管壁面厚度自内向外,壁面温度急剧下降,发动机工作后16 s时,喉部截面处内壁温度达到2700 K,而外壁温度仅为340 K。     

富氧环境下绝热层烧蚀模型

采用模拟固体火箭冲压发动机补燃室富氧环境的试验系统,测试了几种绝热层材料不同氧含量环境下的烧蚀特性。烧蚀过程中燃气中的氧化性组分会渗入炭化层内部,在炭化层内的孔隙中与材料发生放热的化学反应,大量消耗碳,加剧了烧蚀的过程。通过试验结果分析,建立了以基体层、热解层、炭化层为基础的富氧烧蚀模型。应用该模型预估了试验所用绝热层材料的烧蚀率,计算值与试验值较为一致。     

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.     

热物理性能对高硅氧/酚醛复合材料烧蚀性能的影响

根据高硅氧/酚醛复合材料的烧蚀机理,建立了包括烧蚀退移层、化学反应边界层、液态层、炭化层、热解层、原始材料层的自外向内的物理模型,针对平板烧蚀问题,预报了热导率、比定压热容、驻点焓值等热物理性能对高硅氧/酚醛复合材料的表面烧蚀后退率、壁面温度、气化烧蚀速率、热阻塞效应因子、气化分数等烧蚀性能的影响.结果表明,低热导率能使表面烧蚀后退率明显降低,但却使壁面温度、热阻塞效应因子及材料的气化分数升高;而高的比定压热容则能大大降低表面烧蚀后退率和壁面温度;随驻点焓值的增加,表面烧蚀后退率和壁面温度都增大.     

Temperature and stress field analysis of conical trapped joint C/C nozzle divergent section

通过计算喷管的温度场和应力场,描述了扩张段在发动机工作过程中温度和应力的变化规律.首先,将燃气流简化为一维等熵流,以确定喷管内的温度和压强分布.基于轴对称有限元模型,计算了扩张段瞬时温度场.然后,将温度场结果导入到结构热应力分析中,分别计算了扩张段的粘接界面接触合力、轴向拉应力和压应力、层间剪切应力随时间变化规律.最后,与螺纹连接的C/C喷管进行对比,得出在目前材料体系下,锥形套式连接的C/C喷管设计是一种较优化的结构设计.     

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。     

基于热解过程的变热物性碳/酚醛能量扩散数值研究

为了研究碳/酚醛材料内部能量传递以及体积烧蚀过程,基于热解动力学模型,提出了碳/酚醛复合材料热物性随温度和时间的变化模型。通过热解过程中材料本身不断发生变化的密度来反推酚醛树脂、炭纤维、树脂碳以及材料孔隙的体积比,以此来推断材料的瞬态物性参数。在该前提下,常用的碳/酚醛三层模型中的分层结构可在程序内部通过对密度的判定来获取,实现了传热烧蚀的耦合计算。研究结果表明,在受热初期,热解层厚度及材料质量损失速率迅速增高;随着时间的推进,能量逐渐向材料内部进入,并在进入过程中同样由于热解吸热、气体逸出以及对外界热辐射在逐渐衰减,使得能量渗透速度减缓;仿真结果与氮气氛围下的激光烧蚀试验结果吻合较好。     

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。     

喷管扩张段绝热层的烧蚀计算

固体火箭发动机喷管的烧蚀预示是喷管结构分析的重要一环，本文用有限元法计算了喷管扩张段绝热层的烧蚀，计算中了对流换热１、材料热解及烧蚀吸热。计算结果与发动机热试车解决结果相近。     

锥形套式连接C/C喷管扩张段温度场与应力场分析

通过计算喷管的温度场和应力场,描述了扩张段在发动机工作过程中温度和应力的变化规律。首先,将燃气流简化为一维等熵流,以确定喷管内的温度和压强分布。基于轴对称有限元模型,计算了扩张段瞬时温度场。然后,将温度场结果导入到结构热应力分析中,分别计算了扩张段的粘接界面接触合力、轴向拉应力和压应力、层间剪切应力随时间变化规律。最后,与螺纹连接的C/C喷管进行对比,得出在目前材料体系下,锥形套式连接的C/C喷管设计是一种较优化的结构设计。     

航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护数值仿真研究

对航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护进行了全过程数值仿真研究.采用修正Lees驻点热流密度方法和参考焓方法计算再入热流密度.采用JANAF模型计算烧蚀率.利用有限元法计算钝锥体再入航天器烧蚀层在移动边界条件下的轴对称温度场.采用碳化层-热解面-原始材料的轴对称碳化烧蚀模型;推导了热解气体流量计算方法.针对再入飞行大热流密度条件下,用有限元方法求解瞬态温度场时会产生的时间和空间上解的振荡问题.通过分析温度振荡现象产生的原因,采用集中热容矩阵向后差分方法解决振荡问题.计算结果表明,在时间步长选择合适的情况下,求解集中热容矩阵能够很好地解决数值振荡问题,同时烧蚀率和温度场计算比较准确.     

碳/碳复合材料

引言近年来,欧洲动力公司(S.E.P.)对固体发动机喷管部件所用的碳材料,特别是碳/碳材料进行了研制。喷管材料具有耐烧蚀的特性,要经受3000℃以上的高温。由于喷管性能要求非常高,材料必须具有良好的耐烧蚀性能和较低的比重。考虑到在大多数喷管里,化学反应发生在还原介质中,我们认为所能使用的耐热材料中,碳是最可取的。在此文中,我们不评述构成喷管部件的碳结构材料,只简要地论述多晶石墨、热解石墨、碳增强酚醛复合材料和碳/碳材料,侧重介绍后两种,这是欧洲动力公司重点研制项目。     

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.     

固体火箭发动机喷管温度场预示

在考虑烧蚀和炭化引起喷管内型面变化的情况下，建立了瞬态轴对称二维温度场计算模型，应用有限差分方法进行了数值求解，在此基础上进行了计算分析。     

基于热解动力学的绝热材料烧蚀研究

针对绝热材料的烧蚀热响应进行了研究。采用热解动力学模型计算材料热解,同时计算热解气体的一维流动。采用基于化学动力学控制及扩散控制的烧蚀模型计算材料表面的烧蚀。计算模型中采用有限体积法对能量方程进行离散计算,采用SIMPLE算法对热解气体的流动模型进行计算。计算结果表明,绝热材料内部的孔隙率呈梯度分布,材料的热解率是空间和时间的函数,烧蚀过程中部分材料处于原始材料状态。     

两相环境下EPDM绝热层多因素耦合烧蚀预估

为保证发动机能在恶劣的环境中运行,在绝热层的设计中,绝热层的厚度将直接影响着发动机结构的稳定性,而绝热层的烧蚀预估对于绝热层厚度的合理设计非常重要。为解决固体火箭发动机三元乙丙橡胶(EPDM)绝热层烧蚀性能工程预估问题,结合固体火箭发动机内两相流动的环境特点,以热化学烧蚀三方程模型和扩散化学动力学双控制机制为基本数学模型,以炭化层表面孔隙率为耦合参数,并综合考虑气流和粒子的侵蚀效应,建立了绝热层多因素耦合烧蚀模型的控制方程。通过对控制方程的隐式求解和对绝热层温度分布以及烧蚀线、炭化线、热解线位置的综合分析,获得了两相环境下EPDM绝热层的理论炭化烧蚀率。所得烧蚀率与实验结果对比,误差小于10%,表明给出的烧蚀预估方法可用于固体火箭发动机两相环境下EPDM绝热层烧蚀工程分析。     

不同燃气环境下硅橡胶绝热材料烧蚀特性试验研究

在气相燃气环境、含Al2O3两相燃气环境中,对硅橡胶绝热材料开展了烧蚀试验研究,分析了不同燃气环境下燃气流速对材料的炭化烧蚀率、炭化层结构特征及炭化层成分分布的影响.试验结果表明,炭化层及热解层膨胀幅度很大,导致的热传导路径增长不可忽略;在烧蚀发动机高温燃气环境中,燃气流速增大对炭化层有明显减薄作用,热解气体溢出受阻对炭化层产生的内压作用以及热应力可能使炭化层结构破坏,炭化层主要成分的摩尔含量沿厚度方向有基本相同的变化趋势;富氧环境中的炭化烧蚀率最大,且烧蚀机理与烧蚀发动机环境有较大区别.     

喷管喉衬背壁绝热层后效传热炭化分析

针对目前喷管喉衬背壁绝热层后效传热炭化缺乏定量分析的现状,通过材料模型、载荷模型的研究工作,建立能够满足喷管后效传热分析精度要求的喷管温度场有限元计算方法,并通过缩比试验喷管温度场计算与试验测试结果的对比分析进行验证。在此基础上,开展了背壁绝热层后效传热的仿真分析,掌握了后效传热炭化分析方法,并得到了解剖测试结果的验证。研究结果表明,背壁绝热层的炭化大部分发生在后效传热期间。利用该方法进行了全尺寸喷管的背壁绝热层后效炭化分析工作,提出了根据温度计算结果进行裕度评估的方法。评估结果表明,全尺寸喷管的背壁绝热层设计厚度有减薄空间。     

复合喷管结构温度场流固耦合仿真分析

为了评估复合喷管热防护性能以及获取喷管烧蚀和结构应力分析的工况条件,运用Fluent流体动力学软件,对复合喷管的结构温度场进行了数值仿真。分析中,采用了两方程RNG k?ω湍流模型和增强型壁面函数,利用流固耦合的计算方法,获得了喷管结构瞬态温度场的计算结果,重点分析了结构温度场最终分布状态和初期传播特点,以及喉衬温度随时间的变化规律,估算了喉衬的烧蚀。分析结果表明,喷管结构热防护性能满足要求,温度最高区域位于喷管收敛段中后部,喉衬线烧蚀量约为2．1 mm,为喷管结构进一步优化设计提供了重要参考依据。     

结构改性酚醛树脂基材料性能研究

在616酚醛树脂基础上，研究了碳布增强邻苯基苯酚改性酚醛材料的成碳、力学及烧蚀性能，并对基体进行了添加填料改性，碳布织物进行单层针刺改进．结果表明，改性酚醛树脂材料的力学性能与钡酚醛材料相当，烧蚀性能提高，碳粉加入后，抗烧蚀性能进一步提高，针刺结构能提高材料综合力学性能，材料烧蚀过程中分层现象减少。