可延伸出口锥的研制与试验

1979年法国欧洲动力装置公司(SEP)开始研制可延伸出口锥(EEC)。共进行了六发点火试验,均取得成功。下一发点火试验计划在1987年6月进行,届时,将对四种不同方案进行评估,其中包括折叠花瓣式及套筒锥式两种方案。EEC是固体火箭发动机喷管的一个复杂部件。为了提高它的可靠性及降低研制成本,设计必须尽可能简单。碳/碳部件采用三向增强细编织结构,可以做到设计简单,适用于目前既复杂又能装配的结构。如花瓣式和套筒锥式就可以采用这种称为SEPCARB NOVOLTEX材料。     

远地点发动机碳/碳喷管的进展

本文试图分析近五年来远地点发动机碳/碳喷管的设计进展。第一代碳/碳喷管的特征是:①用多向增强的碳/碳编织的小型整体的喉衬和入口段(整体的喉衬和入口段以下简称 I.T.E);③薄壁的碳/碳出口锥与 I.T.E 用螺纹连接。出口锥前端的直径小,引起了振动特性问题和制造成形困难。为此所作的一项改进是加大出口锥前端的直径,这样产生了一个新的无支撑延伸的 I.T.E 方案。最近有一项改进具有当前技术水平,就是用新的 V 式锥形接头代表出口锥和 I.T.E 之间的螺纹接头。本文讨论了这些不同设计的优点和试验结果。远地点发动机喷管设计的下一项改进将是采用陶瓷/陶瓷材料把喷管与燃烧室连接起来。     

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。     

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。     

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.     

碳/碳多维编织喉衬数控加工工艺研究

通过改变机加工艺方法,成功实现碳/碳(以下简称C/C)喉衬型面的数控加工,并通过选用合理的刀具材料、切削刃角以及切削参数,有效地避免了以往喉衬型面手工加工所造成各种缺陷,提高了此类产品交付合格率,同时也大大提高了车间的加工能力。     

C/C喉衬近净尺寸制备及性能

采用径向针刺工艺制备了近净尺寸针刺C/C喉衬预制体,通过热梯度CVI和树脂浸渍碳化复合工艺对预制体进行了致密,利用μ-CT、光学显微仪表征了C/C喉衬材料微观孔隙和热解碳织构,分析了喉衬材料的弯曲性能。结果表明,径向针刺过程形成的损伤型孔隙通道与碳源气体传输方向一致,提高了碳源气体传输效率,使径向针刺喉衬CVI增密效率比传统轴向针刺喉衬提高10.9%。预制体近净尺寸成型缩短了烧蚀区域碳源气体的渗透距离,喉衬材料烧蚀区域形成了高织构热解碳,有利于喉衬烧蚀性能的提高。径向针刺喉衬的轴向弯曲强度比轴向针刺喉衬提高150%。     

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。     

先进固体火箭发动机的喷管研制

为进一步提高先进固体火箭发动机(ASRM)的性能、可靠性和飞行安全性,采用更简化、更坚固的设计,在出口锥后段采用低密度碳布酚醛(LDCCP)和轻质柔性密封减少了相当可观的质量.缩比、原型、改进和鉴定的发动机试验将用来发展和验证材料、工艺和设计.     

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。     

提高碳/碳复合材料抗氧化性能的一种新途径

提出了由本身材质提高碳／碳（简称Ｃ／Ｃ）复合材料抗氧化性能的新途径，即在坯体中添加陶瓷微粉与石墨粉的混合物，用快速化学气相沉积工艺制成Ｃ／Ｃ复合材料。结果表明：制备的材料不仅氧化失重率小、氧化起始点高，而且致密。确定了其优化配方。分析了这种材料的抗氧化机理。     

推力向量控制技术的论证

大西洋研究公司(ARC)与法国欧洲推进公司(SEP)共同进行先进向量控制方案的设计和论证试验。方案之一是超声速分离线喷管,该推力向量控制试验系由曾在标准(轴向)试车台进行过试验的基本型弹道发动机在ARC的多分力试车台上完成的。超声速分离线喷管是在60年代研制的一种很有希望的方案,由于受当时材料的限制而放弃了;随着喷管材料的新发展,证明该方案有进一步开发的必要,因为它可提供较大的偏转角。SEP制造的一种先进的轻型耐高温复合材料NOVEL-TEX,已被选用为ARC试验的喷管喉衬和出口维。本文叙述了发动机和推力向量控制系统的设计、试验装置和试验结果。     

碳—碳复合材料的现状及趋势

介绍了碳－碳复合材料的发展概况、性能、特点，及在航空、航天工业和其他领域中的应用情况；给出了典型的二维（或三维）碳－碳复合材料的工艺流程图。     

碳／碳复合材料的特殊性与复杂性

碳/碳复合材料(CFRC)不论在其组分材料和制作工艺上,还是在结构与性能上,都存在很多特殊性与复杂性,这使得现有纤维增强复合材料的有关理论不能完满解释它的一些现象,不能全面表征它的有关性能.本文介绍了这些特殊性与复杂性,明确了进一步深入研究 CFRC 的方向.     

高性能空间发动机IPSM-Ⅱ

Morton Thiokol 公司经营的二期计划的提高性能的空间发动机—IPSM-Ⅱ采用了一系列的新技术:扁封头凯夫拉/环氧树脂壳体、90％固体含量的丁羟/奥克特金复合推进剂、头部满装药柱、片状点火系统、带有三维编织整体喉衬和入口段的球窝摆动喷管、带球形螺杆展开系统的可延伸出口锥和铌合金(C-103)气体展开裙,出口锥为二维C/C 制品。由于 IPSM-Ⅱ发动机采用了上述许多新技术,使它能比现行的惯性顶级发动机从航天飞机上多运载771kg 的有效载荷进入地球同步轨道,使有效载荷达到3100kg。     

C/C喉衬材料烧蚀试验方法研究

C/C喉衬材料的烧蚀性能与原材料性能、工艺过程有很大关系,采用小型试验发动机可有效进行C/C喉衬材料烧蚀性能模拟试验。介绍了3种小型发动机喉衬烧蚀试验方法,并着重分析了一种方形喉衬的试验方法。试验结果表明,该方法适于各类喉衬材料的烧蚀性能对比,尤其适用于径棒法编织的C/C喉衬材料。     

喷管喉衬温度场计算影响因素的数值分析

本文以计算机数值实验的方法对固体火箭发动机喷管喉衬温度场计算的几种影响因素,包括温度场模型、对流换热系数,推进剂金属微粒引起的热幅射、材料物理参数及背壁边界条件等,进行了数值分析。针对小型固体火箭发动机工作条件给出了不同的计算条件变化可能造成的数值影响效果,力求为喉衬温度场计算选取模型和参数等问题提供参考。     

碳－碳复合材料的现状及趋势

介绍了碳一碳复合材料的发展概况、性能、特点，及在航空、航天工业和其他领域中的应用情况；给出了典型的二维（或三维）碳－碳复合材料的工艺流程图。     

固体火箭发动机喉衬材料

介绍和综合了固体火发动机机喉衬用主要材料，包括难熔金属，石墨等，并比较了其优缺点及适用范围，给出了这些材料的热震与烧蚀性能的一些研究进展。     

预制体结构对C/C喷管出口锥材料力学性能的影响

设计了3种用于制备喷管用C/C出口锥材料的炭纤维增强预制体,即炭布铺层骨架(P型预制体)、炭布叠层原位针刺骨架(N型预制体)、炭纤维整体编织骨架(B型预制体),并对比研究了预制体结构对C/C出口锥材料力学性能的影响。结果表明,对同密度水平的C/C出口锥,用P型预制体制备的C/C材料的层剪强度最低,N型预制体制备的材料的层剪强度最高,B型预制体制备的材料的层剪强度居中。3种预制体制备的C/C材料的高温弯曲性能差别不大,N型预制体结构更适合于C/C出口锥材料的制备成型。