壳体外防热设计计算及风洞试验研究

基于ANSYS/Workbench平台,二次开发了固体火箭发动机壳体外防热计算的一维程序算法,开展某发动机外防热仿真计算,获得了壳体与涂层间界面最高温度,对比相应风洞试验测试结果,验证了算法的正确性。最后,建立了某固体火箭发动机壳体三维参数化模型,应用该算法,选取外防热涂层厚度作为设计变量,以壳体与涂层间界面最高温度为目标函数,联合ANSYS/Workbench中目标驱动优化功能(Goal Driven Optimization-GDO)进行设计计算,实现了壳体外防热涂层厚度设计的自主择优。     

涂层厚度分布的分析,判别方法

某型号导弹的防热结构设计是通过在舱段壳体表面喷涂烧蚀防热涂层来实现的，防热涂层厚度的测量值只能是单个单个点的厚度测量值。舱段壳体表面有无穷多个点，仅用几个测量点的厚度值来判断、描述速过壳体表面涂层的厚度情况是远远不够的。本文对该型号导弹舱段壳体表面防热涂层喷涂「完毕后，涂层厚度值在什么范围之内，其置信度如何，是否超差等情况，用一种概率统计的方法进行了分析、判断。本文可以作为检验涂层厚度、判别涂层厚     

栅格翼防热涂层结构及制造工艺研究

确定了栅格翼防热涂层结构和制备工艺。涂层结构为：“等离子喷涂铝包镍涂层+等离子喷涂氧化铝涂层+高温耐热胶层”，涂层的制备工艺包括吹砂、底层喷涂、氧化铝喷涂。介绍了高温耐热胶的研制过程和栅格翼防热涂层经受发动机喷流试验的情况。     

新型外防热涂料405—21C喷涂工艺

外防热涂料是导弹及航天器正常飞行和仪器仪表正常工作的必要保证。４０５－２１Ｃ涂料是一种新型的高固分外防热涂料。本文着重介绍通过大量实验摸索出来的涂料喷涂工艺。该工艺在某型号研制、定型过程中运用，均满足设计要求。     

某固体火箭发动机外防热涂层厚度的可靠性分析

本文使用数理统计的方法判断固体发动机为外防热涂层厚度的质量情况。     

固体火箭发动机外防热涂层用改性硅烷粘接剂性能研究

固体火箭发动机外防热涂层体系包括钢壳体/底漆/粘接剂/涂层/面漆,其中粘接剂用于底漆和涂层间的粘接。目前常用粘接剂为多种硅烷混合物,由于受环境温湿度的影响大,导致发动机外防热涂层在热考核中易发生界面脱粘。为了提高界面粘接的可靠性,以发动机钢壳体基材和硅橡胶基外防热涂层为研究对象,开展了硅烷粘接剂的研制工作。以多烷基硅烷和氨基化合物为原料,分别制备了氨基改性硅烷DTJ-1和酰胺基改性硅烷DTJ-2,采用红外光谱(FT-IR)、核磁共振(NMR)、X射线能谱(EDS)以及接触角(CA)等手段进行了表征分析,并开展了粘接性能和热考核试验。结果表明,DTJ-2的常温、高温粘接强度分别为1.221 MPa和0.48 MPa,均优于DTJ-X的1.069 MPa和0.34 MPa,且通过了石英灯加热考核和动态电弧风洞试验。     

防热层喷涂设备研制

将机电一体化技术与防热涂料喷涂经验相结合,研制出舱体内、外防热涂料自动化喷涂的工艺及其设备,提高了生产效率和产品质量,解决了喷涂料液搅拌不均匀问题,节约了喷涂料,显著改善劳动强度大、劳动环境极差的工况。     

固液捆绑火箭热振防护涂层及其防热性能评价

固液捆绑火箭的高温喷焰、固体粒子冲蚀和随机振动相互耦合，对火箭尾部结构造成恶劣的“热振”环境。本文自主研发一种短切碳纤维增强甲基硅橡胶复合烧蚀涂层用于抵抗热振环境。首先，通过廉价的甲基硅橡胶取代昂贵的苯基硅橡胶作为成膜剂从而较大程度降低成本;其次，采用60%孔隙率和80 MPa抗压强度的氧化锆陶瓷微球补强隔热层，引入高比表面积的螺旋状陶瓷纤维强化增韧烧蚀层，利用近红外波段发射率为0.85的MoSi2弥合辐射层的裂纹。经地面热振试验对比分析显示，提出的热振涂层试片背温较主流烧蚀涂层降低约45 ℃，质量烧蚀率降低约38.5%，经过长征六号甲运载火箭的首飞试验验证，该热振涂层具有良好的热振防护性能。     

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。     

纳米复合搪瓷涂层在液体火箭发动机的应用研究

介绍了纳米复合搪瓷涂层的化学成份,涂层粉末粒度的比例、浆料的制备工艺及保存方法。重点论述了涂层在发动机不同零件上的浆料成份及粘度、涂覆方法、烧结温度和工艺过程。还介绍了对于不同材料成份与粒度配比涂层的各种检验内容与结果及在液体火箭发动机热试车的考验结果。     

固体发动机外防护涂层紧贴型缺陷太赫兹成像实验研究

针对固体火箭发动机金属壳体外防护涂层紧贴型无黏结缺陷检测问题，采用反射式太赫兹时域光谱成像技术对标准涂层试件进行检测，实现对黏好区、紧密接触但是黏结失效区(无黏结区)、交界区和微小缺陷区分布情况判识。对比了不同原始信号预处理、不同降维处理和不同样本量分类识别处理对四类区域特征识别的效果。结果表明，采用主成分分析结合支持向量机方法，四类特征的预测分类区域图像与实际分类区域分布吻合，并且在较少样本量的情况下保持了稳定的预测分类结果，可靠性较高。证实了太赫兹技术用于对固体火箭发动机壳体与涂层的黏结结构进行非接触无损检测中，能够自动识别紧密接触型黏结失效缺陷和微小缺陷，为进一步的涂层质量控制提供了一种新的检测手段。     

固体发动机复合材料壳体密封隔热涂层研究和应用

研制了以室温硫化硅橡胶为基料并进行了改性的固体火箭发动机密封用隔热涂层。其性能满足工作压强４０－５０ＭＰａ，燃烧温度３０００－３５００℃，飞行过载６０００ｇ的工作条件下的某发动机要求，已得到成功应用。     

硅化物涂层对铌钨合金的热防护行为研究

钨合金作为轨姿控液体火箭发动机推力室身部的主要结构材料,在工作环境中易发生氧化粉化,必须在合金表面涂覆高温抗氧化涂层。利用涂覆及真空烧结复合工艺在铌钨合金表面制备高温抗氧化涂层,研究硅化物涂层对铌钨合金的热防护行为,包括涂层成型过程、高温抗氧化行为、高温抗热震行为及试车热冲刷行为等,试验结果为:涂层在1700℃下的氧化寿命为11±0.78 h,1800℃下的氧化寿命为5±0.46 h,1650℃~室温的水冷热震循环次数为124±9次,1600~800℃下的空冷热震循环次数为3410±124次,并且在热试车考核中涂层通过了长程10000 s的考核,分析硅化物涂层的性能和失效机制,总结了硅化物涂层的热防护机理,研究的新型硅化物涂层在高温条件下具有较好的性能。     

铌铪合金推力室身部表面高温防护涂层的工艺技术研究

铌铪合金具有较高的高温强度,是轨姿控液体火箭发动机推力室身部的主要结构材料,但在工作环境中易发生氧化“粉化”,必须在合金表面涂覆高温抗氧化涂层.本文主要研究了硅化物涂层对铌铪合金热防护行为,包括涂层的成型过程、高温抗氧化行为及高温抗热震行为等.试验结果为:涂层在1 700℃下的氧化寿命7 h,1 400～800℃的空冷热震循环次数4 700次,表面粗糙度30～60 μm.并对铌铪合金推力室身部涂层热试车情况进行了详细分析研究,对涂层在富氧高温燃气冲刷作用下的工作机理进行研究分析,总结了硅化物涂层的热防护机理,研究的新型硅化物涂层在高温条件下具有较好的性能.     

俄高校开展高超飞行器防热材料最优组合研究

正俄罗斯托木斯克国立大学的研究人员对高超声速飞行器防热材料的最优组合进行了研究。在研究过程中,借助所编写的软件在接近真实高超声速飞行环境下测试了系列航天防热材料——碳纤维与多孔金属(钢与钨),测试中材料承载高温与压力。通过研究明确了辐射对流加热对防热涂层及其力热损     

高空发动机燃料主管路防热罩设计优化

针对火箭飞行工作中高空发动机燃料主管路系统防热罩存在热防护能力不足的问题,开展了高空羽流条件下的仿真计算和分析,依据温度计算值确定了防热罩紧固件在高温下抗拉伸强度低,在较高拧紧力矩条件下存在锌、镉脆断裂的薄弱环节,从而导致防热罩脱落。防热罩脱落后其内充填的隔热包覆材料被羽流吹落,燃料主汽蚀管连接法兰直接暴露在高温羽流环境中,高温导致法兰连接及密封失效从而产生燃料泄漏。针对防热罩热防护设计中存在的薄弱环节完成了设计改进,采用头锥形防热罩、高温合金材料的紧固件和多层耐高温隔热材料捆扎包覆等设计改进方案后,经过了高温、振动、地面发动机热试车和飞行试验验证,未出现前述故障。     

铌铪合金表面硅化物涂层的高温失效行为分析

铌铪合金为轨姿控液体火箭发动机推力室身部主要结构材料,在高温有氧的工作环境中易发生氧化粉化,必须在合金表面涂覆高温抗氧化涂层。通过分析铌铪合金表面硅化物涂层的高温氧化、高温热震、瞬时高温烧蚀和热试车行为,阐述高温条件下的氧化失效行为。试验结果为:涂层1 800℃以下氧化条件下,表面形成致密的二氧化硅氧化膜,使得涂层的氧化寿命大于2 h;1 800℃以上的超高温氧化条件下,高温热冲击作用,涂层内部形成大量的烧蚀型网格结构,表面未形成二氧化硅氧化膜,氧化寿命小于10 s;热试车考核中,涂层满足推力室外壁面温度1 350℃以下的使用工况,抗氧化能力较好,随着氧化温度升高,涂层高温抗氧化能力迅速衰减。     

有机消融涂层GT—401 GR—2的应用与工艺研究

有机消融涂层是在二十世纪五十年代末期发展起来的,它是以物质质量损失来换取隔热效果的方式解决高热气动加热的热保护问题。 本文从固体火箭发动机应用涂层的部位分析开始,系统地叙述了选料、施工、涂复以及性能检验工艺。以求最大限度地发挥涂层性能,达到成功应用的目的。 有机消融涂层是有机烧蚀材料的一个分支。它既有烧蚀材料的特性,又有施工方便、成本低的优点。因而发展很快,已成为宇航工业不可缺少的一种热防护涂料。     

防护涂层用聚氨酯基体树脂研究(Ⅰ)——预聚反应动力学及材料性能

用在线红外研究了端羟基聚丁二烯-丙烯腈多元醇(HTBN)与甲苯二异氰酸酯(TDI)反应生成端异氰酸酯基丁腈羟预聚体(ITBN)的动力学过程,并考察了预聚体物性以及固化后涂层的力学性能,该预聚体可作为固体火箭隔热涂层的一种新型基体树脂。研究表明,不同反应温度会影响预聚反应所形成的氨基甲酸酯中羰基的氢键化程度,低于80℃时,氢键氨基甲酸酯和不完善氢键氨基甲酸酯基团会随温度升高而增加;采用数理统计方法筛选出的Hyperbolic函数,可拟合实验数据,并可用来对比不同温度时的反应动力学特性,70～80℃是进行HTBN/TDI预聚反应的最适宜温度条件;通过该预聚体制备的涂层基体具有良好的工艺和力学性能。     

真空环境对防静电热控涂层导电性能的影响

文章通过试验研究了近紫外辐照前后的真空环境对防静电热控涂层的电学性能影响,探讨了真空环境对防静电热控涂层电学性能影响的机理,给出了地面模拟试验过程中关于数据分析的建议。研究发现:真空环境将引起防静电热控涂层的表面电阻率降低、导电性能增强,而氧空位的增加和吸附氧的释放则是其表面电阻率降低的主要原因。