燃气参数及材料缺陷对绝热层烧蚀率影响的试验研究

提出了固体火箭发动机绝热层烧蚀性能的试验评估方法，建立了在不同燃气参数和绝热层材料有缺陷条件下的烧蚀模型及烧蚀率经验公式，并对绝热层烧蚀率影响程度进行了分析，为绝热层设计提供了依据。     

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。     

试验条件对EPDM绝热层耐烧蚀性能的影响

通过烧蚀试验研究了烧蚀时间、燃气流量及烧蚀角度等因素对EPDM绝热层烧蚀性能的影响。结果表明，在不同烧蚀时间内，EPDM绝热层的烧蚀率表现出不同特征，EPDM绝热层烧蚀率与燃气流量成正比关系，燃气以一定角度侧向烧蚀绝热层时，炭化层极易脱落。     

富氧环境模拟绝热层烧蚀试验方法

发展了一种能模拟固体火箭冲压发动机补燃室富氧环境并用于绝热层烧蚀研究的试验方法。用常规燃气发生器产生的燃气,与补进的氧气(氮气)、空气混合,通过控制流量,模拟固冲发动机补燃室内的压强、流量、燃气温度和富氧度等参数。组建了试验系统,对燃气参数进行了校测,并开展了4种绝热材料在富氧环境下的烧蚀试验。结果表明,该系统能够模拟富氧烧蚀环境,可利用该试验方法开展富氧环境下绝热层配方筛选和烧蚀机理研究。     

飞行加速度对固体发动机后封头绝热层烧蚀的影响

固体火箭发动机后封头绝热层的炭化烧蚀率与飞行加速度有关。概述了国内外在这方面的一些研究情况，着重讲述了固体火箭发动机后封头内绝热层烧蚀的实验研究。实验表明：不同材料的绝热层在加速度作用下烧蚀率明显不同。在加速度作用下，后封头内绝热层的炭化烧蚀率小于静止状态的炭化烧蚀率。     

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。     

飞行加速度对固体发动机前封头内绝热层烧蚀的影响

固体火箭发动机前封头内绝热层在飞行加速过程中的烧蚀率是地面静止试验的１．０￣２．３倍。概述了国外在飞行加速对烧蚀影响这方面的研究结果，对国内３台固体火箭发动机内绝热层烧蚀率进行了估计和分析，认为，由于绝热层设计安排裕度比较大，因而这三种发动机飞行条件下的烧蚀仍在安排范围之内。     

固体火箭发动机内绝热层烧蚀分析

提出了一种固体发动机内绝热层的化学烧蚀模型。模型考虑了发生在绝热层烧蚀表面的五种化学反应。绝热展在烧蚀过程中按材料物性变化情况分为碳化层、原始材料层,中间假设为一热解面。在内绝热层烧蚀模型中建立了内绝热层表面烧蚀过程的能量和质量的平衡关系,并运用动边界热传导差分求解出绝热层内部的温度场。用该模型对一种固体发动机内绝热层的烧蚀进行了计算,其结果与发动机试验解剖测量值基本相符。     

双脉冲发动机燃烧室局部烧蚀特性分析

针对双脉冲发动机第一脉冲燃烧室内绝热层出现局部烧蚀加重现象,对φ203 mm和φ120 mm的2种双脉冲发动机内流场特性进行了仿真,分析了面积突扩在其燃烧室内形成的燃气漩涡流动及相关两相流特性,并通过经验公式计算了燃烧室对流换热分布.通过对比计算结果与实验现象,发现壁面烧蚀加重区域与燃气漩涡区位置基本重合;燃气漩涡区内...     

固体火箭发动机内绝热层烧蚀质量损失计算

运用较完备的烧蚀模型，采用了动边界显式差分格式，对固体火箭发动机内绝热层的烧蚀及其温度场进行了耦合计算。计算得到烧蚀率、炭化率、烧蚀厚度和炭化厚度，以及根据绝热层的工作时间计算出内绝热层的质量损失及发动机工作完成后一段时间内后效炭化质量损失。采用该方法不仅能使内绝热层设计更为合理，而且为后效推力的研究打下了基础。     

飞行加速度条件下绝热层烧蚀实验研究

为了深入研究固体火箭发动机在飞行过程中前封头内绝热层碳化烧蚀率增大的机理和规律，国内外学者设计和研制了多种实验装置。本文在概述各种实验装置的基础上，进行比较分析，认为用烧蚀发动机在旋转实验台模拟飞行加速度开展绝热层烧蚀实验研究是一种经济实用的方法。     

侏儒导弹发动机加长对后封头烧蚀的影响

侏儒导弹第一级发动机在初期全尺寸研制阶段曾进行过数次热试验,其后封头绝热层烧蚀情况与根据流场模型预测的结果十分吻合.但在全尺寸研制阶段,由于发动机加长了35%,试验结果表明,其后封头烧蚀率增大200%～300%.本文叙述这两阶段发动机绝热层烧蚀情况,以及所采取的改进措施和结果.     

芳纶纤维和丁腈橡胶体系绝热层新配方的研制

采用含卤-锑的阻燃剂,芳纶纤维代替石棉纤维,研制了耐烧蚀的丁腈橡胶绝热层新配方(D210配方)。试验研究了芳纶纤维用量、卤-锑阻燃剂用量及纤维排布方向对绝热层烧蚀性能的影响;研究了增塑剂用量对绝热层玻璃化温度的影响。结果表明,芳纶纤维用量为4份时,绝热层烧蚀性能最佳,线烧蚀率为0.051 mm/s,质量烧蚀率为0.069 g/s;在选定的阻燃剂用量范围内,阻燃剂对绝热层烧蚀性能影响不大;所选增塑剂用量为20份时,玻璃化温度Tg可达-40℃。试验还对绝热层力学性能、硬度、粘接性能、比热容、导热等性能进行了测试,表明新研制的耐烧蚀橡胶有可能成为替代传统的石棉纤维和丁腈橡胶体系的固体火箭发动机燃烧室内绝热层。     

翼柱型药柱对发动机内流场及喷管收敛段烧蚀影响分析

对具有翼柱型药柱结构的某固体火箭发动机内流场进行了三维两相流数值模拟,分析了发动机的内流场特征以及发动机工作过程中药型变化对内流场的影响,同时就翼柱型药柱结构对喷管收敛段绝热层烧蚀影响进行了分析。结果表明,发动机内流场呈现明显的周期对称特征,收敛段对应药柱翼槽部位的燃气速度及Al2O3粒子浓度明显高于周边位置;两相流中燃气速度及Al2O3粒子浓度的周期分布,导致喷管收敛段烧蚀也呈现周期分布的规律,对应于药柱翼槽部位收敛段绝热层烧蚀量明显大于非药柱翼槽对应部位的烧蚀量。     

冲蚀条件下炭布橡胶绝热层烧蚀实验与计算

开展了冲蚀条件下一种炭布橡胶类绝热材料的烧蚀实验,研究了颗粒浓度和冲蚀速度对该绝热层烧蚀的影响规律。实验结果表明,实验条件下冲蚀速度是影响绝热层烧蚀的最主要因素;冲蚀速度较低时,即使颗粒浓度很高,烧蚀率也不是很大。在实验基础上建立了一种基于炭化烧蚀模型的烧蚀计算模型,即首先根据实验数据建立冲蚀状态与炭层厚度之间的关系,然后采用传统的炭化烧蚀模型进行烧蚀计算,计算结果与实验结果在一定程度上较为吻合。     

燃气流速对EPDM绝热材料炭化层结构特征的影响

基于一种可变流速的烧蚀发动机,在含铝燃气环境中对三元乙丙绝热材料炭化层的结构特征开展了烧蚀试验研究,并对绝热材料表面炭化层进行了SEM分析及能谱分析.试验结果表明,绝热层表面燃气流速不同,所生成的炭化层表面、背面及侧面形貌及孔隙都有很大区别;燃气流速增大,炭化层厚度明显变薄,表面铝、硅氧化物沉积增加,同时炭化层材质疏松程度加大,结构强度减弱.     

长时间工作固体火箭发动机燃烧室热防护层烧蚀计算

为了研究长时间工作固体火箭发动机燃烧室的热防护性能,运用三方程烧蚀模型和运动边界显示差分格式,对长时间固体火箭发动机内绝热层烧蚀及温度场进行了耦合计算.计算得到了化学烧蚀率、扩散烧蚀率、燃烧室内壁温度等参数.计算结果表明,所研究的长时间工作发动机燃烧室烧蚀由扩散过程控制.此外,在求解烧蚀子程序时,提出了一种简便有效的赋...     

耐烧蚀溴-锑体系三元乙丙橡胶绝热层的初步研制

在绝热层配方组分筛选的基础上,采用过氧化物硫化体系,芳纶纤维和耐烧蚀硼树脂作为耐烧蚀填料,阻燃剂为含溴的阻燃剂和三氧化二锑以及少量的硼酸锌,并通过L9(33)正交实验确定了含溴的阻燃剂、三氧化二锑、硼酸锌的最佳用量分别为20份、15份、3份。确定的最佳配方和工艺生产出的三元乙丙橡胶绝热层的密度为1.188g/cm3,线烧蚀率为0.118mm/s,质量烧蚀率为0.063g/s,表明该体系初步满足了某小型固体火箭发动机燃烧室内壁绝热层的基本技术要求。     

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.     

基于RTR技术的绝热层烧蚀实时测量试验

发展了一种基于X射线实时诊断技术(RTR)的绝热层烧蚀实时测量方法,对高浓度颗粒流冲刷条件下绝热层瞬时烧蚀率进行了测量,成功获得了强冲刷条件下绝热层表面烧蚀退移过程的序列图像。结果表明,不同时刻凹坑最低点的位置沿试件长度方向变化,其连线近似与气流的冲刷方向平行;通过图像处理获得了瞬时烧蚀率和平均烧蚀率随时间变化的数据,结果显示试件烧蚀凹坑最低点处烧蚀率在开始时迅速增大,到达峰值后开始下降,并逐渐趋于平缓。该结果可为绝热层烧蚀机理研究提供依据。