多相流环境下绝热材料烧蚀试验方法研究

为深入了解高温多相流环境中绝热材料烧蚀规律，以氧-煤油烧蚀试验系统为基础，采用氧化硼(B2O3)粉末为添加粒子，发展了一种用于绝热材料烧蚀性能测试的新方法，并进行了验证测试。结果表明：氧-煤油烧蚀试验系统的温度为500~2700 K，射流速度为200~1500 m/s，可通过调整燃烧室压力、烧蚀距离和粒子浓度等参数适应各种烧蚀工况；B2O3颗粒在高温射流中发生熔化、蒸发等相变，可用于模拟火箭发动机中的凝聚相粒子；验证试验中绝热材料的烧蚀率和烧蚀规律与其他多相流烧蚀试验结果相近。结果证明该装置可用于开展多相流环境下绝热材料烧蚀试验研究。     

SiC-ZrC陶瓷单组分前驱体树脂的制备与性能

通过Wurz-Fittig共缩聚反应合成了锆含量可调的聚锆硅烷树脂,作为Si C-Zr C陶瓷单组分前驱体。聚锆硅烷树脂具有聚合物基复合材料的加工工艺性能,具有热固化性(热固化温度110~200℃),在氩气气氛中于1 000~1 400℃高温裂解生成Si C-Zr C复相陶瓷(陶瓷产率60%)。聚锆硅烷树脂适合陶瓷基复合材料的聚合物浸渍裂解致密工艺(PIP)。基于前驱体聚合物的锆基复相陶瓷在空气中具有突出的耐高温氧化性,可望应用于超高音速大气层飞行器的耐高温、耐氧化陶瓷材料。     

苯基硅橡胶/硅氮陶瓷前驱体复合绝热层烧蚀机理

采用甲基苯基聚硅氧烷(PMPS)与聚硅氮烷PNS-3为复合基体,气相法白炭黑和炭纤维为填充材料,制备了有机硅耐烧蚀复合材料,并采用氧乙炔焰烧蚀实验的方法研究了材料的烧蚀性能。在对烧蚀后的材料形貌SEM分析和采用XRD、FT-IR、EDS等方法进行了成分分析的基础上,发现加入聚硅氮烷后,苯基硅橡胶的烧蚀行为发生了变化,提出了氧化层、成炭层、陶瓷层、裂解层和基体五区域的新烧蚀模型,并对烧蚀机理进行了初步探讨。研究表明,绝热层在烧蚀过程中,氧化层主要组分是Si O2,起到隔绝氧化性气氛渗入的作用;氧化层下是新生成的耐高温、耐氧化的Si C陶瓷;成炭层坚硬致密起到了热防护的作用。     

C/C-SiC复合材料的氧化行为与等效弹性性能计算模型研究

结合伴随化学反应的质量传递理论,研究了C/C-SiC复合材料的氧化机理,获得其氧化动力学模型。通过建立各材料组元(碳、碳化硅或其他材料)合理的氧化动力学方程,结合已有的C/C-SiC微结构参数化建模及性能预测技术,将氧化机理与微结构表征建模相结合,建立C/C-SiC复合材料在高温氧化环境下的弹性性能随温度、时间等参数变化动态预测模型,实现对高温环境下各种复杂构型C/C-SiC复合材料的性能预测研究。数值计算结果和实验数据吻合较好,表明该文建立的数值模型,可有效预测高温氧化环境下C/C-SiC的质量变化和等效弹性性能。     

固体火箭发动机喷管传热与壁面烧蚀的耦合计算分析

为研究某型固体发动机在地面工作过程中喷管的受热与烧蚀,对其工作后140 s内复合喷管壁面受到管内高温喷流辐射与对流加热,以及发动机外部环境辐射与对流冷却条件下的壁面受热与材料热解烧蚀建立一维非稳态热分析模型进行计算分析。其中,喷管材料采用金属基体内衬高硅氧-酚醛复合隔热材料构成,高温喷流对喷管的辐射加热采用非灰参与性介质的封闭腔辐射换热模型计算,对喷管的对流加热采用巴兹公式计算,复合喷管壁面材料升温后的热解分为基体材料升温-基体材料热解-热解层炭化-Si O2熔融-炭化层脱落五个阶段进行分析。研究发现,喷管收敛段和喉部主要受到高温喷流的辐射加热,内壁辐射热流约为对流热流的2.5倍,喉部下游因喷流温度下降,速度激增,内壁对流热流超过辐射热流,在扩张段尾部,内壁的辐射热流再次超过对流热流;发动机工作过程中,喷管收敛段和喉部壁面的高硅氧-酚醛复合隔热材料随时间逐渐被烧蚀,烧蚀厚度随时间上升,喉部烧蚀厚度最大,140 s时烧蚀厚度达到8 mm,平均烧蚀速率为0.057 mm/s;喷管扩张段中后段喷流温度大幅下降,壁面内高硅氧-酚醛复合隔热材料未烧蚀;沿喷管壁面厚度自内向外,壁面温度急剧下降,发动机工作后16 s时,喉部截面处内壁温度达到2700 K,而外壁温度仅为340 K。     

航天飞行器防热涂层烧蚀行为及机理研究

为拓宽航天飞行器防热涂层裂解温域,提高涂层的耐烧蚀性能,文章通过热重–差示扫描量热分析仪(TG-DTG)分析了2种硅橡胶基体的热分解行为,并结合马弗炉烧蚀实验研究铁红、云母、白炭黑等3种功能组元对硅橡胶涂层静态烧蚀性能的影响,通过扫描电镜(SEM)以及红外光谱分析仪(FT-IR)分析烧蚀机理,最后通过马弗炉烧蚀实验及高温燃气流烧蚀实验对2种涂层的烧蚀性能进行考核。结果表明:甲基苯基硅橡胶在220～320℃温域的裂解主要以侧基交联为主;在320～480℃以由羟基引发的主链"回咬"机制为主;在480～630℃则通过链间折叠发生环降解反应。主链"回咬"和链间环降解反应均会导致树脂基体交联密度降低,力学性能下降,产生"粉化"。甲基乙烯基硅橡胶在其裂解温域370～780℃主要发生侧基交联反应,树脂基体交联密度上升,热稳定性提高。白炭黑对于2种硅橡胶基体的热稳定性提升最为显著;铁红、云母等均会在高温下与硅橡胶基体产生共融,减缓硅橡胶基体的高温裂解。     

30%SiCp/Al复合材料空间服役温度环境适应性研究

30%SiC_p/Al复合材料具有较高的比强度和比刚度，应用于火星车驱动组件需满足空间环境温度下的高强韧性和高尺寸稳定性需求。文章对粉末冶金法制备的铝基碳化硅复合材料开展了空间环境地面模拟试验，分别从力学性能、组织结构和热物理性能等方面对材料的大温域空间环境适应性进行系统分析。结果表明，材料的力学性能和热物理性能随温度呈现规律性的变化，且具有各向异性:低温条件下抗拉强度提高，线膨胀系数降低；高温条件下冲击韧性提高，导热系数降低；经高低温循环后残余应力降低，抗拉强度提高，线膨胀系数各向异性降低。在此基础上，初步分析了铝基碳化硅复合材料受不同空间温度环境影响，力学性能和热物理性能发生变化的内在机理。     

SRM内绝热层成型用硅橡胶气囊材料老化机理研究

用固体核磁共振和在线热裂解气质联用等技术,对固体火箭发动机(SRM)内绝热层成型用硅橡胶气囊材料的力学性能和微观结构进行了研究。根据研究结果提出了绝热层贴片环境中硅橡胶气囊材料的两种老化机理:过氧化二异丙苯(DCP)的降解产物二甲基苄醇催化及白炭黑羟基参与的硅橡胶主链解扣式降解,其产物以小分子环状硅烷为主;以侧基氧化为特征,形成大量硅氢化合物和大分子硅烷产物为主的降解方式。     

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.     

核能火箭发动机的设计

核能火箭发动机(简称 NTR 发动机)使用固体核芯反应堆和棱形的燃料棒,其质量和性能主要取决于最高反应温度和燃料棒的密度。如果选择碳化物类燃料棒,则堆芯质量将随碳化物数量正比变化;发动机/空间运载器干质的增加用比冲加以补偿。在设计时,可以考虑一个综合方案,即把碳化物基燃料棒放置在反应堆的热端,对出口气体起加热作用。对具有高温工作能力基的燃料棒来说,一种方案是:从每个燃料棒束的热端适当缩小燃料棒使冷却通道在轴向成扩张型,对轴向的热交换作以下处理使堆芯出口气温达到最大:(1)用一个顶部反射器使最大热交换区域转到堆芯入口;(2)选择碳化物燃料棒结构,使它对冷却剂流动横截面有高的表面换热区域;(3)调整燃料棒的碳化物比例。     

纤维混编CMC-SiC的残余热应力计算

将SiC纤维引入到C/PyC/SiC中,有望减少因C纤维与SiC基体热膨胀系数不匹配而导致的基体残余热应力。研究了C纤维和SiC纤维混编方式和混编比例对复合材料残余热应力的影响规律。采用有限元法建模、计算了纤维混编接触分布和相间分布复合材料的残余热应力,结果表明:(1)与C/PyC/SiC比,C纤维和SiC纤维混编增强SiC基复合材料可减少SiC基体的残余拉应力;(2)相同混编比例时,纤维混编接触分布((x C-y SiC)/PyC/SiC)复合材料的基体轴向残余应力比纤维混编相间分布((x C×y SiC)/PyC/SiC)复合材料基体的小;(3)以纤维混编接触分布为例,SiC基体的轴向残余应力随混编复合材料中SiC纤维的增加而减小,但当C纤维和SiC纤维的混编比例由1∶2变为1∶4时,基体的轴向残余热应力仅从174 MPa下降到170 MPa。     

低特征信号绝热层用硅氧烷树脂研究

简述了用于固体火箭发动机低特征信号绝热层研制的发展现状。对多种硅氧烷树脂（ＲＴＶ）进行了筛选和信号透过率，热失重，力学及粘接笥能试验。试验结果表明，与使用ＥＰＤＭ绝热层材料相比，使用ＲＴＶ绝热层材料，火箭发动机燃烧室羽流具有较高的信号透过率；ＲＴＶ还具有较好的热性、力学及粘接性能，适于用作低特征信号绝热层的基体材料。     

Space optical payloads, new application area for high temperature composites

High temperature composites have been extensively developed in order to produce thermal protection systems of reusable re-entry vehicles and launchers. This development effort covers all aspects including sizing, design, manufacturing processes characterization, non destructive inspection, and all industrial facilities which have also been installed. Strong interest recently appeared for these materials to meet requirements for different space applications. In particularly, for more stringent optical payloads, new materials with high performance requirements have appeared. In the field of high dimensionally stable structures for telescopes, materials have to meet severe requirements, such as low coefficients of thermal expansion, good specific modulus, long-term stability (moisture and chemical insensitivity), etc. Carbon/carbon (C/C) composites can meet these specifications. To demonstrate this capability a structure has been designed, manufactured and will be submitted for complete testing (work supported by ESA/ESTEC). The main available results (part feasibility, characterizations, analysis and stability performance budgets) are presented. For future telescope mirrors, silicon carbide is already known as a good candidate. However, an innovative concept based on silicon carbide sandwich honeycomb technology, which allows optimized design, has been developed. The first characterization results and manufacturing capabilities are presented.     

防热复合材料的烧蚀机理与模型研究

烧蚀材料在高温环境中因物理、化学和力学因素造成质量损失，影响其性能。建立相应的热化学和热力学烧蚀模型，分析其传热特性和力学性能的演化规律，建立材料的热毁损判据，是复合材料防热结构设计所面临的重要问题。本文综述了近年来文献中对炭基复合材料烧蚀机理的研究，并对几种烧蚀模型进行了评价。     

新型含硅芳基乙炔的固化及成炭机理研究

通过FTIR、DSC、TG和XRD等分析了新型含硅芳基乙炔树脂的组成、固化反应、炭化过程、炭化机理及热分解动力学.结果表明,树脂主链上含有Si元素,在222 ℃发生Diels-Alder固化反应;固化树脂的起始热分解温度为380 ℃,900 ℃的残留率为89.5%.热解动力学分析表明,树脂的炭化分为几个阶段,在250～445 ℃阶段,为引发阶段,结构变化小;450～725 ℃为热分解阶段,聚合物的主链破坏并转变为玻璃态炭结构;在830～855 ℃是芳环发生脱氢交联反应引起的放热阶段;860～895 ℃为碳化物逐渐向乱层石墨结构转变,此阶段以后热稳定性高.XRD和拉曼光谱表明, 1 500 ℃处理后出现SiC峰,2 200 ℃处理后出现石墨峰,表明材料在高温处理时可发生部分石墨化.     

一种典型C/SiC构型件的热噪声适应性试验研究

航天器结构用新型C/SiC复合材料在飞行过程中会承受气动加热和噪声复合环境,容易出现疲劳破坏,需要进行地面热噪声试验考核。针对一种典型的C/SiC蒙皮骨架构型件,利用行波管开展热噪声试验研究,对试验件、试验装置和试验方法等进行介绍。利用试验获得的有效数据揭示热噪声复合环境下该C/SiC构型件的失效模式,验证其热噪声环境适应性。     

用于热真空环境下整星微波无线测试的低PIM吸波热沉研制

随着通信卫星技术的发展,收发共用已成为通信卫星有效载荷常用的设计方法,在这种情况下,无源互调(passive intermodulation,PIM)问题就显得尤为突出。为了完成整星及转发器分系统在热真空环境下的PIM指标测试,利用碳化硅吸波材料研制了一种低PIM吸波热沉,并利用该吸波热沉建立了指标小于150 dBm的低PIM测试环境,同时兼具热流模拟功能和微波功率耐受能力。在热真空环境下圆满完成了国内首次有整星参与的微波载荷无线PIM测试试验。     

宽温度柔性接头用硅橡胶弹性材料研究

硅橡胶高低温性能优异,可作为宽温度柔性接头用首选弹性材料。通过分析补强剂、增塑剂、硫化剂等对硅橡胶性能的影响,优化硅橡胶配方,提高低模量硅橡胶力学性能。结果表明,在甲基乙烯基硅橡胶中加入35~40份(质量份,下同)高补强气相白炭黑、0.3~0.5份硫化剂,同时添加适量增塑剂,研制的硫化硅橡胶剪切模量稳定在0.25~0.30 MPa内,力学性能比4#白炭黑补强硅橡胶有较大幅度提高。采用有机硅改性环氧胶粘剂进行硅橡胶硫化胶与金属试片粘接,两板拉伸剪切强度达到3.0 MPa,改善了硅橡胶与其他材料的粘接可靠性。     

Effect of variable solid phase thermal properties on propellant combustion

Mathematical models derived for describing the combustion of solid rocket propellants have in the past assumed that the thermal properties, specific heat, and thermal conductivity are constant throughout the solid phase portion of the combustion zone. The values for specific heat and thermal conductivity can vary as much as 50–100 percent for the temperatures in the solid phase combustion wave, values from about 250 to 1100 K. Thus, the variation in solid phase properties due to the temperature variation in the solid phase have significant effects on the burning rate, the temperature sensitivity and the pressure coupled response. The paper is concerned with predicting the effect of the variable solid phase properties on the combustion properties. Parametric calculations were made to illustrate the effect of the magnitude of the variation of solid phase properties with temperature. The results indicate that significant differences exist between the values for the combustion parameters calculated using variable thermal properties as compared to those calculated using constant thermal properties.