颗粒冲刷条件下三元乙丙绝热材料烧蚀特性实验

为了研究三元乙丙基础配方、抗过载配方、无SiO2配方和无纤维配方等不同配方绝热材料在颗粒冲刷条件下的烧蚀特性和机理,基于高过载地面模拟试验发动机,开展了烧蚀试验研究。分析了实验后绝热材料的表面以及断面形貌特征和宏观烧蚀率结果,探讨了三元乙丙基础配方和抗过载配方绝热材料炭化层中致密结构形成的机理,进行了不同配方材料的烧蚀模式和机理的分析。研究结果表明:相同颗粒冲刷条件下,不同配方三元乙丙材料烧蚀模式和破坏机理不同,烧蚀率从小到大依次为抗过载配方基础配方无SiO2配方无纤维配方;其中基础配方和抗过载配方三元乙丙材料在烧蚀过程中炭化层形成"致密/疏松"结构,表面形成的致密结构可以提高材料的抗烧蚀性能,无SiO2和无纤维三元乙丙材料以基体的粒状和块状剥落破坏为主;不同配方绝热层炭化层的形貌和结构与纤维、SiO2含量以及烧蚀环境密切相关。     

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。     

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。     

颗粒冲刷条件下硅橡胶绝热材料烧蚀特性实验研究

为了研究颗粒冲刷条件下硅橡胶绝热材料的烧蚀规律和特性,采用一种颗粒冲刷状态可调的实验发动机,以添加有短切碳纤维和高硅氧玻璃纤维的硅橡胶为研究对象,开展了颗粒聚集浓度范围为34.5~75.3kg/m3,冲刷速度为9.4~35.9m/s,角度为19.3°~55.5°条件下的13次热试车实验,获得了颗粒冲刷状态参数和炭化烧蚀率之间的宏观影响规律,通过对试验后试件的宏观形貌和微观结构特征进行分析,初步探讨了硅橡胶绝热材料的烧蚀机理。研究结果表明:(1)和EPDM绝热材料的烧蚀规律和特性不同,实验条件下硅橡胶炭化层更厚且致密,硅橡胶材料的最大烧蚀率随颗粒聚集浓度变化较为敏感,当超过50kg/m3临界浓度值时,烧蚀率随浓度的增加而急剧增大。最大烧蚀率随颗粒冲刷速度增加而增大,并呈现出先急剧增加后缓慢增加的趋势;(2)在颗粒冲刷速度较低条件下,硅橡胶材料烧蚀率要高于EPDM的,在颗粒冲刷速度较高条件下,硅橡胶耐冲刷性能要略优于EPDM的;(3)硅橡胶的热分解温度区间约为623~989K,在烧蚀过程中,高硅氧纤维和硅橡胶分解产生的Si O2会渗透到炭化层骨架中,进一步和C反应形成Si C,从而使炭化层致密化,具备耐冲刷特性;(4)通过分析烧蚀形貌和微观特征,初步提出了三层一面(基体层,热解层,炭化层,冲刷面)的烧蚀物理模型。     

稠密粒子流作用下三元乙丙绝热材料烧蚀性能分析

为研究稠密粒子流作用下三元乙丙绝热层材料TI117的烧蚀性能,采用基于地面模拟试验发动机完成了18发烧蚀试验。通过分析试验数据,认为针对TI117绝热材料存在一个粒子冲刷速度临界值vcri=28m/s,当粒子流速度小于vcri时,粒子流状态参数对绝热层炭化烧蚀影响较小,当粒子流速度大于vcri时绝热层烧蚀率随粒子冲刷速度的增加增幅较快,粒子冲刷角度的影响也显著。通过分析颗粒浓度、冲刷速度和角度等随烧蚀试验状态的变化规律,结合试验数据进行回归分析,给出了三元乙丙绝热材料TI117在两种冲刷状态下的烧蚀率工程预示模型。通过分析芳纶纤维铺设方向对TI117绝热层烧蚀的影响,认为两种铺设方向下烧蚀结果基本一致,严酷条件下芳纶纤维垂直铺设优于平行铺设。     

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。     

添加有机氟化物的固体复合推进剂对EPDM绝热材料烧蚀特性研究

分别在三组元、四组元固体复合推进剂的基础上制备了添加有机氟化物(OF)的高铝含量(18%)固体复合推进剂,利用高过载烧蚀模拟发动机考察了燃烧室压强为7MPa的条件下,上述推进剂对于三元乙丙橡胶绝(EPDM)热材料的烧蚀特性。结果表明,在OF为3%取代添加量的情况下,添加OF的推进剂配方相比于常规空白配方,对绝热材料的最大线烧蚀率可降低30%以上;对于四组元推进剂,含有OF的推进剂燃烧还能够有效抑制燃烧室的凝聚相沉积。实验通过分析推进剂的燃面特性、高过载烧蚀模拟发动机燃烧室沉积物组成、试验后绝热材料表面炭层结构、推进剂包覆材料表面沉积物形貌,探讨了配方中OF对于降低推进剂烧蚀特性的机理。分析认为,由于添加OF的推进剂燃烧能够形成粒径更小的凝聚相燃烧粒子,从而降低了它们在发动机流场中的动量,进而抑制其对于绝热材料的冲刷作用,致使烧蚀特性下降。     

绝热材料动态烧蚀试验方法

为了研究绝热材料的动态烧蚀特性,建立了一种敞开环境下绝热材料烧蚀表面的实时监测方法,用光学技术实时记录绝热材料试样表面烧蚀形貌和烧蚀面退移过程,通过图像处理,成功获得了绝热材料动态烧蚀率和烧蚀形貌的相关信息。该监测方法可对一定条件下炭化层的动态烧蚀性能进行评估,通过图像的批处理可获得每一时刻的动态烧蚀率和前n秒的平均线烧蚀率,适用于绝热材料动态烧蚀特性研究,还可以用于研究在绝热材料表面的炭化层形成和消耗特性。     

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。     

固体火箭冲压发动机补燃室硅基绝热层烧蚀模型

为了评估固冲发动机硅基绝热层的烧蚀性能,对硅基绝热层的烧蚀形成机制进行了分析并建立了数值模型。硅基绝热层烧蚀由气动冲蚀,化学烧蚀,颗粒剥蚀三个部分构成。数值结果表明,硅基绝热层失效的主要原因是气动冲蚀,化学烧蚀与颗粒剥蚀影响较小。理论计算同试验获得的烧蚀形态基本吻合,冲压发动机严重烧蚀部位在进气道两侧的下游区域。从结构设计上看,冲压发动机防隔热设计的重点应是降低冲压发动机气流冲蚀影响。     

高过载条件下绝热层烧蚀实验方法研究 (Ⅰ)方案论证及数值模拟

分析了高过载对固体火箭发动机流场和绝热层烧蚀的影响规律，提出一种新的研究思路：采用数值模拟方法来预示发动机三维两相流场，建立高过载流场模拟实验装置，开展绝热层烧蚀实验，建立高过载条件下的绝热层烧蚀模型，在此基础上发展高过载发动机绝热层设计和烧蚀预示方法。其中关键技术是高过载流场的模拟，对粒子加入法和弯管分离法两种方案进行了论证，认为弯管分离法原理上是可行的。为了验证这种方案的可行性，开展了弯管通道两相流的数值模拟研究，计算结果表明弯管装置具有使凝相粒子聚集形成高浓度粒子流的功能。     

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。      

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。     

C/C复合材料在再入模拟环境中烧蚀性能研究

为了研究轴棒法编织的高密度碳/碳(C/C复合材料在再入飞行时的烧蚀性能,采用热等离子体地面模拟再入烧蚀系统对C/C复合材料进行烧蚀试验。试验中分别采用氮气(N、氧气(O和空气作为工作气体,对比研究C/C复合材料在不同环境中的烧蚀率和烧蚀性能。结果表明,三种情况下试样的烧蚀率和微观形貌有很大差异;纯氧气时氧化反应的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.0423mm/s和0.0451g/s大于纯氮气时氮化反应的0.0314mm/s和0.0338g/s也大于空气成分时复合反应的0.0215mm/s和0.0208g/s在试样烧蚀的热影响区发生轻微开裂;三种工况下的烧蚀机理不同,分别是碳的升华、碳的氧化和碳氮反应的某种组合。     

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.