双脉冲固体发动机燃烧室EPDM绝热层烧蚀性能实验研究

双脉冲发动机工作时燃烧室内部热环境复杂,对内绝热层设计提出很高要求,但对双脉冲发动机燃烧室内EPDM绝热层的烧蚀性能研究较少。为此,本文提出了工作时间为15s和两次点火工作时间为7.5s+7.5s的发动机实验方案,以研究双脉冲固体发动机燃烧室内EPDM绝热层的烧蚀性能。采用SEM电镜扫描、微米CT测试分析获得了烧蚀试件的表面宏观形貌、炭化层表面和断面微观形貌以及炭化层三维构型;利用测厚仪测量结果计算了试件的烧蚀率。结果表明,在总工作时间相等的情况下,双脉冲发动机中EPDM绝热层的烧蚀率比传统发动机大;与传统发动机中单次热冲击下烧蚀后试件相比,双脉冲发动机二次热冲击下烧蚀后试件的炭化层厚度减小约50%,总体孔隙率增大约13%;烧蚀表面致密层的致密程度也有所减小。双脉冲发动机工作时,EPDM绝热层的烧蚀性能在二次热冲击下发生较大变化,需在燃烧室内绝热层的设计过程中予以重视。     

炭化层疏松/致密结构的三元乙丙烧蚀模型

分析了烧蚀发动机和高过载烧蚀发动机实验得到EPDM(三元乙丙)的炭化层结构,获得烧蚀过程炭化层结构形成变化的机理,建立了考虑疏松致密结构的多孔炭化层物理模型.模型中炭化层为非均质的多孔可渗透介质,孔隙内部存在气体扩散和热化学反应;炭化层中热解气体沉积效应形成致密结构.在多孔介质流动与传热算法基础上建立了模拟绝热材料烧蚀过程的数值方法,计算得到的炭化率、质量烧蚀率和炭化层的多孔结构与实验结果相吻合,证明了本烧蚀模型能够准确地描述绝热材料的热化学烧蚀过程,并为耦合烧蚀模型的建立提供数值算法基础.      

气相燃气速度对EPDM绝热材料烧蚀的影响

为了解气相燃气速度对EPDM绝热材料烧蚀的影响,在双基推进剂环境中对EPDM绝热材料进行了烧蚀试验研究。试验排除了粒子的作用,分析了两压强下的不同燃气速度环境中EPDM绝热材料的炭化烧蚀率、炭化层的结构特征以及成分分布。试验结果表明:燃气速度对炭化烧蚀率的影响较弱,对炭化层厚度的影响明显;不同燃气速度条件下炭化层断面具有相同的结构特点和相似的成分分布趋势;低燃气速度条件下烧蚀以热解炭化为主,高燃气速度条件下炭化层的机械破坏显著。试验结果可以用于进一步研究EPDM绝热材料烧蚀机理。     

EPDM的烧蚀模型

作为固体火箭发动机燃烧室壁面绝热层的ＥＰＤＭ是一种炭化型热防护材料,受热时形成炭化层和热解层,在燃气和粒子冲蚀下不断减薄并带走热量,有效地保护燃烧室壁。采用气动热化学烧蚀机理,扩散和化学动力学双控制机制,并计入气流与粒子的侵蚀,建立了ＥＰＤＭ的烧蚀模型;同时将烧蚀与移动边界下的传热相耦合进行烧蚀率预示。根据模型预示的烧蚀率与试验结果吻合很好。     

绝热层烧蚀性能的理论预示

本文在多次绝热层烧蚀实验所得物理模型的基础上,建立了在低燃气流速下的烧蚀表面质量和能量控制方程,以及某发动机绝热层在烧蚀时形成的炭化层、热解层和基体的温度响应控制方程,求得了该发动机内弹道环境条件下绝热层烧蚀过程中炭化面和热解面的退移速率.所得数值解与实验结果比较一致.     

模拟过载条件下EPDM绝热层烧蚀实验

用一种粒子浓度、速度和角度可调的高过载模拟烧蚀发动机,开展过载条件下粒子冲刷对EPDM绝热层烧蚀特性影响的实验研究。实验结果表明:(1)存在一个临界速度,当冲刷速度低于临界速度时,粒子浓度,速度和角度对炭化烧蚀率影响较小,而当冲刷速度高于临界速度时,炭化烧蚀率随速度的增加而急剧增加,角度影响也较大。(2)弱冲刷条件下的炭化层表面平整,而粒子沉积条件下的炭化层表面附着有很多大粒径的粒子,炭化层结构也更加疏松,而强冲刷条件下,粒子由于速度较高而不易在炭化层表面沉积。(3)当低于临界速度冲刷时,炭化层的孔隙结构分布不均匀,存在致密/疏松分层结构,而高于临界速度冲刷时,炭化层结构则更为致密。(4)通过多元回归得到了炭化烧蚀率与粒子冲刷速度,浓度和角度的经验关系式。     

飞行加速度对固体火箭发动机前封头绝热层烧蚀特性影响研究

对固体火箭发动机前封头绝热层在加速度环境的炭化烧蚀特性进行了实验研究,研制了烧蚀试验发动机及相应的离心试验台,用ＮＢＲ,ＥＰＤＭ绝热层模拟实际烧蚀环境进行了不同轴向加速度条件下的烧蚀试验,得到了飞行速度对绝热层炭化烧蚀率影响规律和经验关系式。     

高浓度颗粒流冲刷条件下硅橡胶和EPDM绝热材料动态烧蚀实验

利用X射线实时诊断技术(RTR)针对硅橡胶和EPDM绝热材料,开展了高浓度颗粒流冲刷条件下动态烧蚀实验研究,成功获得了绝热材料烧蚀表面退移过程的序列图像。研究表明:(1)在本实验条件下,硅橡胶绝热材料颗粒冲刷区域的瞬时烧蚀率在0～2s内迅速增加,2s之后瞬时烧蚀率略有下降并趋于稳定;EPDM绝热材料颗粒冲刷区域的瞬时烧蚀率在0～1s内迅速增加,1s之后瞬时烧蚀率趋于稳定;(2)相同冲刷条件下硅橡胶绝热材料抗颗粒流冲刷性能比EPDM绝热材料差,硅橡胶绝热材料不适合在高过载发动机中应用;(3)高浓度颗粒流冲刷条件下绝热材料的烧蚀率比常规条件下要严重的多,其机理主要是高温颗粒流对炭化层有强烈的机械剥蚀效应和热化学烧蚀作用。实验结果对硅橡胶和EPDM绝热材料烧蚀机理研究及烧蚀建模具有重要参考价值。     

硅橡胶/三元乙丙橡胶的绝热性能

采用三元乙丙橡胶(EPDM)对硅橡胶共混改性,制备了硅橡胶/EPDM。对其烧蚀、力学和热性能进行了研究。结果表明:硅橡胶/EPDM的线烧蚀率随EPDM添加量增加而降低,当硅橡胶/EPDM为60/40时,由于材料烧蚀后表层形成了更加致密、坚实炭化层,其线烧蚀率达到0.09 mm/s。EPDM/硅橡胶热性能高于EPDM,其力学性能优于硅橡胶。     

轴向过载对固体火箭发动机前封头绝热层烧蚀的影响

研究了固体火箭发动机内绝热层在飞行速度条件下的炭化烧蚀特性。用烧蚀发动机的旋转实验装置上,对ＮＢＲ和ＥＰＤＭ绝热层试件进行了烧蚀实验。在加速度７０ｇ、压强５ＭＰａ、时间１０ｓ条件下,绝热层平均炭化烧蚀率增大系数小于１．７。实验结果可用为发动机绝热层设计的依据。     

基于热解过程的EPDM变热物性数值传热

针对三元乙丙橡胶(EPDM)类绝热材料热载荷作用下的热解炭化过程,基于热解动力学和多孔介质传质传热理论,建立了芳纶/EPDM绝热材料热物性参数随温度和时间变化的变热物性模型,并通过与实验的对比,验证了模型的准确性与可靠性。随后对热载荷作用下的烧蚀热响应开展了数值计算,结果表明:热载荷作用初期,材料表面升温迅速,随着能量不断传递,温度推进速率明显降低,炭化层厚度增长减慢,部分材料仍为原始状态；温度对热解反应速率的影响呈指数级,距表面越近反应速率越快,反之则慢。所提出的变热物性模型对绝热材料的烧蚀研究具有一定的参考价值。      

存在烧蚀的高超声速压缩拐角流动数值研究

耦合求解热化学非平衡流控制方程和烧蚀壁面边界条件,进行存在石墨烧蚀的压缩拐角流场数值模拟。流场化学反应采用16组元(N2,O 2,NO,N,O,NO +,N+2,O +,N+,CO,CO 2,C,C2,C3,CN,e-)29个反应的非平衡模型,热力非平衡的双温度模型下,不同反应采用不同控制温度。石墨材料表面反应包括碳的氧化反应、碳催化的O 原子复合反应和碳的升华反应。对15°、18°、24°压缩拐角模型,在自由流 Ma =10~30,总焓值6~55 MJ/kg 范围,分别进行无烧蚀的壁面催化与非催化条件和石墨烧蚀条件下的流场计算,分析各类条件下的流场结构、流动分离特性以及流场热化学参数分布特点,研究壁面条件对流动特性的影响。结果表明：流动分离可能性和分离区范围随着压缩拐角斜面倾角增大而增大,随来流马赫数增大而减小;相对于低壁温条件,无烧蚀的辐射平衡壁温和壁面烧蚀条件下流动分离区增大,斜面上压力、摩阻和热流峰值点也有所后移。     

双脉冲发动机EPDM软隔层黏超弹本构模型

三元乙丙橡胶（EPDM）用于软隔层式双脉冲固体火箭发动机软质脉冲隔离装置（PSD）时,主要在Ⅰ脉冲工作时起到绝热抗烧蚀作用,同时保证Ⅱ脉冲能够可靠工作。根据橡胶类材料连续介质力学理论,建立了描述EPDM软隔层在有限变形下的黏超弹本构模型。模型由超弹部分和非线性黏弹性部分构成：超弹部分在Mooney-Rivlin模型的基础上进行了改进,使之能够描述大应变时的硬化现象;非线性黏弹性部分采用广义黏弹性模型,采用无量纲形式的KWW方程替代了传统的Prony级数,使得用2个参数就能预测较大应变率范围内的力学响应。利用万能材料实验机对EPDM软隔层进行了多步松弛实验和单轴等速率拉伸实验,然后根据实验结果,采用分步拟合的方法求出模型参数,利用所建立的本构模型对其余的实验结果进行预测并与实验结果进行比较,对比结果表明所建立的模型能较好地预测EPDM软隔层伸长比在800%以内的单轴等速拉伸响应。最后利用文献中的实验数据验证了所建立的模型能够较好地预测多种工况下的力学响应。