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。     

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.     

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。     

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。     

EPDM 绝热层的热化学烧蚀机理

介绍了固体火箭冲压发动机EPDM绝热层的烧蚀过程及模型,在忽略粒子侵蚀和机械剥蚀的基础上,分析了EPDM炭化层表面的主要热化学烧蚀反应及烧蚀产物的确定方法,提出了炭化层烧蚀率的粗略预示方法,对EPDM绝热层的热化学烧蚀机理进行了初步探索。     

高过载条件下绝热层烧蚀实验方法研究 (Ⅱ)收缩管聚集法

发展了一种能开展高过载条件下绝热层烧蚀研究的模拟实验方法——收缩管聚集法，研制了收缩管聚集高过载模拟烧蚀实验装置。对实验装置及固体火箭发动机过载条件下的三维两相内流场开展了对比数值模拟，结果表明这种实验装置产生的高浓度粒子流与40g纵横向过载条件下发动机内形成的高浓度粒子流状态很接近，说明这种实验方法是可以模拟高过载条件下绝热层烧蚀环境的。利用这套实验装置开展了高浓度粒子流冲刷条件下绝热层烧蚀实验，对6种绝热材料开展的烧蚀实验表明：所有试件表面均被冲蚀出一个凹坑，说明粒子冲刷对绝热层烧蚀影响很大。凹坑最大烧蚀部位与数值模拟得到的粒子浓度最大部位基本吻合。     

大后翼装药固体发动机喷管收敛段绝热层烧蚀

对具有大后翼装药结构的Φ315 mm发动机和全尺寸发动机进行了地面点火试验。试验后对喷管收敛段绝热层按照沟槽和非沟槽部位进行了解剖,得出了各个部位绝热层的烧蚀和炭化数据。结果表明,和药柱翼槽对应的喷管收敛段绝热层烧蚀严重,而非药柱翼槽对应部位的绝热层烧蚀较小。实测的最大烧蚀率可用于同类发动机的方案设计。     

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。     

高浓度颗粒冲刷条件下高硅氧酚醛烧蚀实验

利用高过载模拟烧蚀实验发动机，开展了高浓度颗粒流冲刷条件下高硅氧酚醛材料烧蚀机理的实验研究。研究表明：高浓度颗粒流冲刷条件下高硅氧酚醛材料的烧蚀比常规条件下要严重的多，其机理主要是高浓度颗粒流冲刷对炭化层具有强烈的剥蚀效应；相同条件下高硅氧酚醛材料抗颗粒流冲刷的性能明显比石棉酚醛模压材料差；增强绝热材料炭化层的致密性和韧性是提高绝热材料抗颗粒冲刷能力的有效途径。提出了建立高浓度颗粒冲刷条件下绝热层烧蚀建模的思路，为高过载条件下热防护研究提供了理论基础。     

长时间小过载条件下发动机流场特征及绝热层烧蚀分析

以揭示固体火箭发动机在飞行条件下绝热层的异常烧蚀特性为目的,针对小过载、长作用时间条件下大长径比流道的发动机开展了三维两相流场的数值模拟研究,详细分析了发动机内流道内不同区域的颗粒聚集特征,并结合发动机失效部位处绝热层的烧蚀形貌进行了失效模式分析,针对性地提出了改进措施.研究结果表明:(1)不同过载条件下发动机内颗粒聚集和分布状态受过载大小和发动机流道结构共同作用且影响规律复杂,所引起的绝热层异常烧蚀模式和机理不同,特别是小过载长作用时间条件下的异常烧蚀需要引起设计者重视.(2)颗粒聚集在绝热层表面的换热或冲蚀都将引起绝热层局部烧蚀加剧,形成的“凹坑或凹槽”烧蚀形貌会造成颗粒的二次聚集效应,进而加剧烧蚀过程.(3)通过增加发动机旋转动作和局部绝热层加厚,可以提高发动机的飞行安全性.     

考虑界面损伤的立式贮存药柱结构完整性研究

为了进一步结合实际分析固体火箭发动机药柱在立式贮存条件下的结构完整性，考虑推进剂/衬层界面损伤模式在复杂应力条件下具有多样性。以某型固体火箭发动机为例，与常规将衬层设置为粘接单元相比，模型在推进剂与绝热层之间设置粘接接触。对固体火箭发动机在立式贮存环境时经历固化降温、充气内压和重力载荷联合作用下有无界面损伤时的发动机进行仿真分析。结果表明:界面损伤的存在导致推进剂/绝热层界面这个薄弱环节更危险；该型固体火箭发动机药柱在充气内压增大过程中在人工脱粘层根部部位应力呈先增大后减小趋势；在充气内压达到0.085MPa之前，推进剂与绝热层之间考虑界面损伤时，推进剂在垂直于轴向的靠近人工脱粘层根部部分更容易损伤，之后则推进剂垂直于轴向的初始点更容易损伤。该结论可以为固体火箭发动机结构完整性精确仿真提供一定的指导。     

加速度对固体火箭发动机内弹道性能的影响

用片型装药火箭发动机和含铝复合推进剂,研究了加速度对固体火箭发动机内弹道性能的影响。研究结果表明,在加速度７０ｇ的条件下,２０１０推进剂的平均效应燃速比ｒ＾－ａ／ｒ＾０高达１．５１５,固体火箭发动机的内弹道性能呈现明显的变化。该项研究对发动机设计有实际意义。     

横向变过载对固体火箭发动机绝热结构设计的影响

针对新一代防空导弹高机动作战特点,研究了复杂横向变过载对固体火箭发动机绝热结构工程设计的影响。同时考虑过载值和过载角度的瞬时变化,对发动机绝热层进行网格划分,并对烧蚀厚度进行编程计算,进而按照安全裕度设计准则得到不同位置的绝热层设计厚度。与传统设计结果相比,考虑横向过载的变化可以显著减少了发动机的结构质量,提高了发动机总体性能,绝热质量减小了53.7%,总冲提高了6.84%。      

固体火箭发动机的能量管理技术研究

介绍了固体火箭发动机的能量管理技术对于提高战术导弹射程、命中精度等方面的作用,针对隔板式能量管理技术,分别对美国、加拿大、日本、德国等国的代表性研究方案进行了评述,指出了今后的研究方向。     

固体火箭发动机前、后翼药柱三维有限元分析

应用PRO／ENGINEER、I－DEAS软件构造药柱三维几何模型，利用视算技术和方法对药柱几何模型进行处理，建立药柱三维有限元模型，对药柱受固化降温、轴向飞行过载、工作内压载荷作用下的应力应变及位移完成了三维线弹性有限元分析计算，进行了图形后处理，得到了合理的结果。为大型固体火箭发动机药柱结构完整性分析提供了更为准确合理的理论依据。     

某典型振动条件下发动机点火试验研究

以某飞行器主动段飞行故障中屡屡出现低频振动现象为背景,通过设计振动点火试验台,模拟空中飞行的振动环境,进行了低频振动条件下的发动机点火试验,研究了该低频振动对固体发动机药柱结构完整性、发动机内弹道性能以及燃烧室内绝热层烧蚀性能等的影响,研究结果初步证明,飞行过程中出现的低频振动不破坏发动机药柱的结构完整性,对发动机主要内弹道性能也不产生较大影响,但对振动方向上的推进剂燃速与绝热层的烧蚀率产生一定影响。该项研究可为相关的工程问题提供依据。     

一种故障可诊断性分析方法

介绍了应用结构排除法进行故障诊断时故障的可诊断性,指出了使用(0,1)故障矩阵时有可能出现错误的诊断结果,介绍了计算敏感度矩阵的方法,同时也和(0,1)故障矩阵进行了比较。在设计故障诊断系统时,利用敏感度矩阵,能够针对不同的关系式故障选择最佳检验参数和排除参数的组合,可以提高故障诊断结果的可信度。     

固体发动机有机烧蚀防热涂层的研究

直径、开口较大的固体发动机燃烧室热防护大多采用橡胶基绝热层、但对长细比较大,特别是开口甚小的金屈壳体工艺上却难以实施。 为了寻找具有良好的防热效果,同时工艺又简便易行的发动机内防热材料。我们开展了以环氧树脂为粘合剂、Al_2O_3·3H_2O为阻燃剂,添加石英粉、Cr_2O_3等耐高温、低导热性能无机填料组成的防热涂层的试验研究。 通过试片试验与发动机地面考核试验,证明该防热涂层也是固发燃烧室一种较为适宜的烧蚀防热材料,它具有不受被保护产品几何形状的限制。可采取喷涂、滚涂、刮涂、刷涂等优点,烧蚀率远小于橡胶基绝热层,尤其适用工作时间在30s左右的战术型号发动机燃烧室热防护。     

改善固体火箭发动机内绝热层抗冲刷性能研究进展

介绍了研究固体火箭发动机内绝热层抗冲刷性能的重要性，国内外改善绝热层抗烧蚀和抗冲刷性能的途径并提出今后的发展方向。