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.     

基于烧蚀发动机的EPDM烧蚀性能试验研究

采用有2个流速试验段的烧蚀试验发动机在双基推进剂和含Al 10%复合推进剂燃气环境下对EPDM绝热材料进行烧蚀试验,分析了压强、燃气组分和速度等因素对EPDM绝热材料烧蚀特性和炭化层微观结构的影响规律。研究表明,EPDM绝热材料炭化率和质量烧蚀率随着燃气速度和燃烧室压强的增加而增大;在燃气温度、燃烧室压强和燃气速度接近的条件下,含Al 10%复合推进剂燃气环境下的炭化率是双基推进剂燃气环境下的2倍;EPDM绝热材料炭化层的结构呈现一种致密/疏松的多孔结构,表面存在一层致密层。烧蚀模型中炭化层物理模型可用非均质可渗透多孔介质描述。     

单纯热化学烧蚀环境下EPDM绝热材料炭化层结构特征分析

设计了一种低燃气流速(0.48 m/s)的烧蚀试验装置,在含铝1%的复合推进剂燃气环境中,对一种EPDM绝热材料进行了烧蚀试验,试验具有单纯热化学烧蚀的特点。对试验得到的炭化层表面、背面及断面进行了微观结构分析,此试验环境下的炭化层表面均布颗粒状附着物;背面呈网状孔隙结构;断面具有上密下疏、分界清晰的特点。文中还对比了3种不同烧蚀环境下的炭化层结构,在恶劣的烧蚀环境下,炭化层上部致密层变薄。试验结果对EPDM绝热材料烧蚀机理研究及烧蚀建模具有重要参考价值     

EPDM绝热材料炭化层结构特征及其对烧蚀的影响

以烧蚀发动机为主要试验手段,结合全自动密度仪、扫描电镜、微米CT等多种测试手段,对不同烧蚀环境下EP-DM绝热材料炭化层的结构特征及其对烧蚀的影响规律进行了深入研究.研究发现,炭化层呈多孔疏松结构,其孔隙大部分为开孔;EPDM绝热材料的炭化层存在致密/疏松结构,而这种结构与烧蚀环境有很大关系;在炭化层表面形成一定厚度的...     

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。     

高温热环境下EPDM绝热材料炭层表面相态试验

为了解EPDM绝热材料烧蚀过程中炭化层表面相态,以及在热态环境下炭化层的抗冲击结构特点,设计了一种表面碰撞试验装置.利用设计的试验装置,在含铝5％的复合推进剂燃气环境中,对一种EPDM绝热材料进行了炭化层表面相态探测试验,清晰地获得了撞击后的炭化层表面形貌.试验结果分析表明:在本研究条件下,EPDM绝热材料炭层表面基本...     

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。     

粒子侵蚀模型及粒子侵蚀下绝热材料烧蚀数值计算

从粒子动力学参数出发,分析了粒子与炭化层相互作用机制,导出计算粒子对炭化层作用力,再根据强度理论,推导出粒子对炭化层的侵蚀模型。应用该模型,对实验发动机中粒子侵蚀下的绝热材料烧蚀进行了数值计算,计算中采用了燃气流动与烧蚀耦合计算方法,计算结果与实验结果基本一致,表明所建立的粒子侵蚀可用于固体火箭发动机中粒子侵蚀下绝热材料烧蚀的预估。     

以基于孔隙结构特征的EPDM绝热材料热化学烧蚀模型

基于对绝热材料烧蚀实验结果的观察和分析,从EPDM绝热材料炭化层微观孔隙结构特征出发,综合考虑多孔结构炭化层内的流动、传热及烧蚀过程,建立了基于炭化层孔隙结构特征的绝热材料热化学烧蚀模型和相应计算方法;对EPDM绝热材料的热化学烧蚀过程开展了数值计算,并将计算得到的质量烧蚀率与烧蚀发动机实验结果进行了比较,结果吻合较好。     

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。     

三维烧蚀内部热响应数值计算研究

对热解型碳化复合材料三维烧蚀内部热响应数值计算关键技术进行了研究。采用碳化层—热解面—原始材料层模型,将热解气体与碳化层之间的对流换热处理为源项,通过有限元法建立移动边界条件下温度场求解方程组,采用Gauss Seidel迭代法计算热解气体质量流量和温度场。同时,研究和分析了三维烧蚀移动边界处理方法以及动网格生成方法。由于每个时间步都需要网格重划,烧蚀热防护数值计算对存储效率和计算效率要求较高,本文研究了内部热响应计算中影响存储效率和计算效率的主要因素,并提出了相应的压缩存储方案和求解方案。计算结果表明,移动边界处理方法准确合理;存储方案的存储效率较高;保持刚度矩阵和形函数矩阵正定对称性可以加快温度场计算的收敛速度。     

EPDM绝热材料耦合烧蚀模型

以EPDM类绝热材料烧蚀特性为研究对象,借鉴多孔介质领域的相关理论和方法,以炭化层的孔隙结构特征和参数为纽带,建立了考虑热化学烧蚀、颗粒侵蚀和气流剥蚀的EPDM类绝热材料耦合烧蚀模型,并进行了模型的初步实验验证。结果表明,所建立的模型不仅在EPDM类绝热材料烧蚀率预示方面具有较高的计算精度,而且在细管上能够基本反映绝热材料的烧蚀特性。     

硅橡胶基防热涂层动态烧蚀行为及机理研究

针对两种典型硅橡胶基防热涂层开展高温燃气流烧蚀实验，通过对烧蚀后涂层的宏观及微观形貌分析，探讨了其防隔热机理及烧蚀模型。研究结果表明：烧蚀后两种涂层均存在液态层、陶瓷层、热解层以及原始层；烧蚀过程中甲基苯基硅橡胶涂层主要发生主链“回咬”成环反应，导致树脂基体交联密度降低，力学性能下降，涂层外表面发生开裂，甲基乙烯基硅橡胶涂层则主要发生侧基交联反应，使树脂基体交联密度上升，促进涂层发生陶瓷化转变；热辐射、热容吸热、热解反应吸热以及热阻塞效应为四种主要的热耗散机制，质量损失产生的原因主要包括反应气体释放以及气动剪切力导致的机械剥蚀。     

硅基材料烧蚀模型研究

对冲压发动机燃烧室所使用的硅基热防护材料，用以往的单纯因二氧化硅液态层被气动吹除减薄的模型进行烧蚀计算，计算结果和实际偏差很大。我们根据硅基热防护材料的实际特性，在原有的液态层模型的基础上，考虑了夹杂碳化层对熔融态硅基的补强作用，提出了既有液态层吹除也有化学反应烧蚀的新模型，即考虑了热解、熔融和碳化、气动吹除结合化学反应烧蚀的多因素过程。并根据硅基热防护材料的烧蚀特点，根据发动机模型的试验结果，初步总结出了液态层粘附力的经验公式。从物理概念上分析可以看出该模型基本符合实际情况；从多种工况计算结果可看出，新模型和经验公式是比较合理的。     

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.