固体火箭发动机喷管喉衬烧蚀研究进展

在固体火箭发动机工作过程中,由于热化学烧蚀和机械剥蚀的作用,将导致发动机喷管产生烧蚀行为,直接关系到固体火箭发动机的结构可靠性。为了较为深入地了解固体火箭发动机喷管喉衬烧蚀行为及其机理,对国内外固体火箭发动机喷管喉衬烧蚀研究进行了归纳和总结,详细阐明了喉衬烧蚀试验方法、喉衬烧蚀机理及喉衬烧蚀模型;总结了常用的喉衬烧蚀试验方法,并分析了各自优缺点;从热化学烧蚀和机械剥蚀两方面介绍了喉衬烧蚀模型研究进展,分析了目前喉衬烧蚀模型的研究水平。最后,对固体火箭发动机喷管喉衬烧蚀需要开展的工作提出了建议,包括发动机烧蚀率的试验评估方法,喉衬耦合烧蚀计算方法及过载条件对喷管烧蚀的影响规律等,以期为后续研究工作提供一定的借鉴和参考。     

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。     

石墨渗铜喉衬的烧蚀特性

介绍了石墨渗铜材料作为固体火箭发动机(SRM)喉衬与．长尾管衬套的烧蚀特性和机理。液态铜在高温高压燃气的作用下仍滞留在石墨基材内，起到抑制烧蚀的效果，改善了KS-8高强石墨的耐烧蚀性能。     

化学液相沉积制备的炭/炭复合材料烧蚀性能研究

通过等离子烧蚀发动机、小型烧蚀发动机点火试验及微观结构观察,研究了由化学液相沉积制备的炭／炭复合材料的烧蚀性能,分析了其烧蚀前后微观结构的变化,并探讨了其作为固体发动机喉衬、扩散段材料的烧蚀机理。结果表明,由化学液相沉积工艺制得的沉积炭结构的抗烧蚀性能优于炭纤维,其作为喉衬的线烧蚀率为0．008mm／s,证明该工艺是可行的。     

C/C喉衬稳态烧蚀的工程计算

根据固体火箭发动机燃烧中氧化性组分扩散控制喷管喉衬烧蚀和Ａｌ２Ｏ３沉积对喉衬的保护，提出Ｃ／Ｃ喉衬稳态烧蚀的工程方法。３个分动机的烧蚀预示结果与实测结果吻合，该计算方法具有较高的精度。     

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。     

飞行过载对固体发动机内弹道的影响

对某系列发动机参加历次典型短时大过载和长时间中小过载工况飞行试验中遥测压强数据进行了汇总分析,结合发动机飞行试验后喷管喉衬解剖数据,总结了发动机在各种飞行过载工况下内弹道变化规律。结果表明,在短时大过载条件下,发动机压强均有一定程度降低,下降幅值约0.2~0.4 MPa;在长时间中小过载条件下,因推进剂种类不同,喷管喉衬烧蚀和发动机压强变化规律不同;过载对推进剂燃速影响不大。     

燃气参数及材料缺陷对绝热层烧蚀率影响的试验研究

提出了固体火箭发动机绝热层烧蚀性能的试验评估方法，建立了在不同燃气参数和绝热层材料有缺陷条件下的烧蚀模型及烧蚀率经验公式，并对绝热层烧蚀率影响程度进行了分析，为绝热层设计提供了依据。     

C/C喉衬烧蚀性能的实验研究

开展不同推进剂和压强对喉衬烧蚀的影响研究,对认识喉衬烧蚀机理和指导设计很有意义.采用小型烧蚀实验发动机,开展了不同压强下无铝双基推进剂和含铝17%的复合推进刺工况下C/C喉衬烧蚀的实验研究,分析了粒子沉积、燃气组分和燃烧室压强等时烧蚀性能的影响.结果表明,随着工作压强的升高,喉衬烧蚀率明显增大,主要机制是热流密度增加和气流剥蚀加剧,粒子沉积减弱;相同压强条件下,含铝复合推进剂工况下C/C喉衬的烧蚀率远小于无铝双基推进剂工况,主要原因是氧化铝沉积严重.对喉村烧蚀起到了一定保护作用.     

过载下燃烧室粒子特性与绝热层烧蚀研究进展

总结和分析了国、内外对飞行过载下固体火箭发动机中出现的绝热层烧蚀问题的研究方法。详细阐述了燃烧室粒子粒度参数确定方法、过载流场数值模拟方法及地面模拟过载试验方法等方面研究进展。首次提出了获取过载下粒子分布参数的两种新途径,即基于飞行发动机的粒子收集分析法与故障位置反算分析法,给出了两种方法下的粒度分布参数;并提出了用火箭橇模拟过载下绝热层烧蚀的方法。结合某战术发动机,基于过载流场计算结果,讨论了短时间大过载与长时间中、小过载等两种典型工况对绝热层的烧蚀影响,并给出了热防护设计时应注意的问题。     

石墨渗铜喉衬材料的微观结构与抗热震性能

采用粗粒级高强石墨加压渗铜工艺，制备了石墨渗铜(CIG：copper-impregnated graphite)喉衬材料。对其微观结构与抗热震性能的关系进行了研究。结果表明，由于渗铜提高了原石墨的热导率及整体增韧的综合效果，使石墨渗铜材料比通用的5种石墨材料具有更好的抗热震性能，更好地适应了小型高性能战术导弹、航天飞行器高压强大流量SRM对喉衬材料的要求。     

发动机喷管喉衬烧蚀及热结构工程计算

给出了一种理论模型和基本计算方法。采用有限元法对某固体火箭发动机喉衬结构的烧蚀量、瞬态温度场和应力场进行了理论计算,计算结果与实测值比较一致,喉部直径实测值与计算值相对误差约为2％。     

C/C组合喉衬烧蚀试验方法及微观形貌对比

发展了一种C/C组合喉衬的烧蚀试验方法,采用该方法对C/C原始材料和经过热化学烧蚀后的C/C材料进行含铝工况试验,对比研究粒子对C/C材料表面微观形貌的侵蚀作用。试验表明,该方法能准确反映材料的实际烧蚀性能,确保对比材料烧蚀性能是在同工况下进行,也适用于各类不同喉衬材料的烧蚀性能对比。研究认为,热化学烧蚀起主导作用,有无粒子侵蚀对C/C材料烧蚀率的影响不大;粒子侵蚀对收敛段区域微观形貌影响最为严重,1号试件纤维单丝最尖锐,3号无锥尖形貌,2号呈圆台形貌,喉部区域无铝工况的纤维单丝比含铝工况尖锐;组合喉衬2号和3号因材料表面粗糙度的不同,造成微观形貌和烧蚀率差异,说明经烧蚀后的C/C材料再次烧蚀,其性能大幅下降,材料表面粗糙度越大,烧蚀率越大。     

固体发动机燃烧室离散相颗粒相变对喉衬烧蚀的影响

针对喉衬烧蚀试验中高燃温推进荆对喉衬烧蚀较普通推进剂偏小的现象,采用Euler-Lagrangian方法,对燃烧室内离散相颗粒的传热和相变过程进行数值分析,对烧蚀偏小现象给出了理论解释.分析结果表明,在发动机燃烧室内的高温环境(4000 K)下,约有离散项总质量40%左右的颗粒发生相变成为气体,大部分离散相颗粒从喷管迟逸;离散项颗粒的相变,一方面会减弱对喉衬的烧蚀,另一方面会造成燃烧室内温度等参数分布的不均匀.     

热防护材料在火箭羽流正冲条件下烧蚀性能的研究

在固体火箭的发射技术中，常常涉及处在火箭羽流冲刷下发射装置表面热防护材料的烧蚀问题，技术人员需要了解材料的烧蚀机理及其速度的予测。为此，本文对热防护材料在火箭流正正冲条件下的一无是处地理论分析与实验研究，并提出了一种能予估材料烧蚀性能的计算方法，计算结果与实例相符。     

石墨渗铜喉衬材料烧蚀机理分析

通过研究石墨渗铜材料的微观结构和石墨渗铜喉衬的热传导测试结果,以及石墨渗铜与发动机高温燃气的化学反应,得出了石墨渗铜喉衬的烧蚀机理。结果表明．在石墨渗铜材料发动机喉衬烧蚀过程中仅能出现铜的相变和表面液态铜流失及石墨基材本身的热化学烧蚀和机械剥蚀。而不能出现铜蒸气的自发汗现象．且铜元素不与燃气发生反应。在此基础上提出了适用于石墨渗铜喉衬稳态烧蚀速率怙算的公式。     

串联双燃速固体火箭发动机一维内弹道计算

探讨了双燃速固体火箭发动机一维内弹道计算方法，并给出了混合燃气参数的处理方法，综合考虑了燃烧室热损失，喷管效率，喉部烧蚀和装药的侵蚀燃烧对内弹道性能的影响，为发动机内弹道性能计算提供了一套更实用的工具。     

C/C喉衬热反应边界层内组分分布数值分析

为研究C/C喉衬热反应边界层内的组分浓度梯度变化规律,基于C/C喉衬的热化学烧蚀理论,建立了组分输运方程。采用有限速率化学反应模型,对C/C喉衬热反应边界层内的组分分布进行了数值研究。计算结果表明,喷管喉部的热化学烧蚀反应最为剧烈,边界层内的热化学烧蚀反应由化学动力学与组分扩散共同控制。推进剂中含铝与否对组分分布影响较大,燃烧室压强及喷管尺寸影响较小。