耐高低温耐压橡胶弹性材料北大核心CSCD

采用丁异戊橡胶作为主体材料,从补强体系、硫化体系和增塑剂三个方面分析了它们对橡胶高低温性能、耐老化性能和耐压性能的影响.粒径小、结构度高的炭黑和气相白炭黑并用可有效改善橡胶的力学性能;硫磺含量在0.8％ ～1.3％使得硫化橡胶既具备较好的高低温性能又兼顾较好的耐老化性能;增塑剂可有效调整橡胶硬度和耐压性能.并对研制的丁异戊橡胶弹性材料及其柔性接头构件耐高低温性能及耐压性能进行分析.结果表明,弹性材料高低温剪切性能及耐压性能表征结果能初步反映柔性接头构件的摆动性能及耐压性能.     

羧基亚硝基氟橡胶的性能及应用

全面介绍了羧基亚硝基氟橡胶7113硫化胶的力学性能、耐高低温性能、耐四氧化二氮(N2O4)介质性能、耐老化性能及其密封件的应用试验结果和贮存寿命,并将其与羧基亚硝基氟橡胶7104和氟醚橡胶7110硫化胶的性能进行了比较分析.7113硫化胶具有优异的耐N2O4介质性能和良好的耐高低温性能,其耐介质、耐老化和成型工艺性能均在7104基础上有所提高.7113密封件通过了-40℃、常温和250℃的密封模拟实验、N2O4介质浸泡6个月密封模拟试验和加速老化试验等考核,可以作为耐N2O4介质的密封材料使用.     

弹性件剪切模量随压力变化的试验分析

通过单轴拉伸与平面拉伸试验,得到了柔性接头弹性件橡胶材料“三阶五项式”超弹本构模型参数,通过有限元计算证明了该模型的优越性.为了获得柔性接头弹性件材料剪切模量随容压的变化规律,设计了双轴加载试验装置和表征柔性接头弹性件的三重片试件,进行了压缩剪切联合加载试验及有限元数值模拟.试验结果发现,橡胶材料的剪切模量并没有随压力的升高而减小,该现象与计算结果吻合较好.     

小型柔性接头推力矢量性能试验

设计了结构尺寸相同,弹性件材料分别为天然橡胶和硅橡胶的小型柔性接头,测试了容压作用下的轴向压缩位移,考察了弹性比力矩随温度(-50～70℃)、容压的变化情况.另外,为检验应力估算经验公式对小型柔性接头的适用性,测试了增强件内侧环向压缩应力.结果表明:柔性接头轴向压缩刚度随容压升高呈现一定程度的非线性增大趋势;弹性比力矩在0°～6°摆角范围内基本恒定,不同柔性接头弹性比力矩随容压升高呈现不同变化趋势;天然橡胶弹性件柔性接头弹性比力矩在低温下显著增大,硅橡胶弹性件柔性接头弹性比力矩在-50～70℃温区稳定;由燃烧室压强引起的增强件环向压缩应力经验公式估算值过大,不适用于小型柔性接头.      

宽温域下柔性接头界面损伤及密封可靠性数值研究

界面失效是固体火箭发动机柔性接头的重要问题。为研究宽温域(-55℃～65℃)下柔性接头摆动过程中界面的损伤规律,基于ABAQUS 6.14建立了柔性接头的三维非线性有限元分析模型,并采用内聚力模型作为粘接界面的本构模型,获得了界面的损伤参数。此外,结合界面间的接触应力,提出了一种计算柔性接头密封可靠度的方法。结果表明,宽温域下粘接界面与丁异戊橡胶的力学性能随温度的升高而逐渐下降,说明柔性接头在高温段更容易发生失效;并且确认了柔性接头密封可靠度与界面损伤间成反比关系,宽温域下随着温度升高,柔性接头损伤程度先缓慢增大,-40℃后出现迅速增加,而柔性接头密封可靠度先呈线性下降趋势,20℃后下降趋势放缓,-55℃时柔性接头密封可靠度最大。     

滚动球窝喷管动态性能分析

为检验极端载荷作用下,固体火箭发动机滚动球窝喷管动态性能及结构设计的正确性,理论计算中,接头内部,用并联非线性弹簧阻尼器,表征滚动体与保持架间的刚性碰撞;用有限元法为数学工具,以阴、阳球的模态柔性描述其弹性,同时引入弹塑性摩擦接触变形的数值计算结果,建立滚动体与阴、阳球间的弹性接触模型;充分考虑各构件的重量、转动惯量、材料特性及摩擦,建立系统整机刚柔耦合多体动力学模型.计算得到系统及接头内各主要零部件的运动规律、动态接触力、系统摆心漂移量及瞬时作动力矩.通过与系统冷试车试验所测力矩的对比论证,检验动力学建模方法及计算结果的合理性、正确性.     

固体火箭发动机柔性接头弹性件力学性能研究

针对固体火箭发动机柔性接头中的橡胶材料，研究了在进行这种橡胶结构有限元计算中橡胶材料的力学行为的表征。进行了单轴拉伸与简单剪切材料力学性能试验，根据不同材料模型对试验曲线进行了拟合，并用MSC／Marc软件模拟了超弹性材料的单轴拉伸与简单剪切变形过程。结果表明：采用单轴拉伸试验数据预测材料剪切性能会造成明显误差，而简单剪切试验得到的模型可以比较准确描述材料的拉伸和剪切变形，针对柔性接头这种以剪切变形为主的结构，应选取剪切试验数据；当应变大于150％时，不同材料模型与试验数据的选用范围对计算结果具有明显影响。     

航空用6061铝合金板材性能验证试验研究

介绍了6061铝合金板材性能特点及其在飞机上应用情况,结合飞机使用要求,分析国产6061板材在飞机上应用存在问题,并对板材焊接、成形及耐压进行考核验证试验。结果表明,国产6061铝合金板材焊接接头连接效率可达90%以上,与传统防锈铝相当,拉伸强度高于进口板材;利用拉深工艺制备大规格薄壁管型件是可行的,研制出的工件尺寸完全符合图纸要求;耐压性能满足使用要求,但国产材料的耐压稳定性略低于进口材料。     

柔性接头迟滞阻尼特性识别

为实现对柔性接头系统的建模和动力学分析,对柔性接头的迟滞阻尼特性识别方法进行了研究.测试了一系列不同摆角和不同频率条件下柔性接头的动态特性参数,基于变刚度变阻尼法对不同频率下的刚度系数和阻尼系数进行了参数识别,获得了刚度系数和阻尼系数跟摆动频率之间的关系,建立了柔性接头动力学模型.应用该模型分析计算了柔性接头低速频率特性,并与试验结果进行了对比分析.结果表明:建立的模型可以很好地描述柔性接头的低频特性,随摆动频率的增加,恢复力矩略有增加；在振幅较小时,弹性力矩随摆角呈线性,随着摆动振幅的增加,弹性力矩的非线性逐渐增强.      

固体火箭发动机柔性接头的结构分析

为了进行固体火箭发动机柔性接头结构分析，建立了三维超弹结构有限元模型，用单轴拉伸与简单剪切橡胶材料试验数据，采用三阶橡胶本构模型，载荷跟随变形的方式处理驱动载荷方向的变化，给出了典型载荷状态下的计算结果。获得了柔性接头应力应变分布，随着容压增大，弹性件径向拉应力的区域迅速减少，获得相同转角的驱动载荷将会减小，该现象与试验结果吻合较好。     

大气压条件下高焓空气等离子体流场特性及应用

评估和鉴定高超声速飞行器防热材料使用性能,需要在能够模拟飞行气动热环境的高焓设备中进行大量地面试验。详细介绍了一种能够运行在大气压条件下的电感耦合等离子体设备,该设备能够产生多种气体（空气、氮气、二氧化碳、氩气）的等离子体射流,运行功率范围为27~85.5 kW,最大运行效率可达77.9%。通过对30 mm的亚声速喷管出口8 mm处空气等离子体流场参数高精度重构和发射光谱测试研究,获得了气体温度和光谱发射强度沿径向的分布,等离子体的焓值范围为8.54~22.2 MJ/kg,驻点热流最高可达721 W/cm²。选定2个试验状态对典型防热材料C/SiC进行烧蚀氧化考核试验,并通过与国内外同类设备比较,表明该大气压感应耦合等离子体设备达到国际先进水平,完全具备开展高超声速飞行器防热材料性能改进地面模拟试验的能力。     

涡扇发动机二元喷管模型吹风对比试验

在多功能热喷流实验台,进行了某型涡扇发动机二元喷管模型试验件与常规轴对称喷管模型试验件吹风对比试验。试验结果表明:与常规轴对称喷管相比,采用二元喷管后,其尾喷流的流场速度快速衰减,其温度比常规轴对称喷管衰减得快得多,射流的高温区沿轴向大幅减少(大约为原来的1/5),这对红外辐射的抑制十分有利。     

碳/碳多孔防热复合材料压缩性能研究

常见高性能热防护材料的力学性能较为薄弱,这成为了飞行器热防护系统发展的瓶颈。因此,如何设计热防护材料,使其具有良好隔热效果同时兼具足够的承载能力,成为当前的研究热点。本文针对碳/碳多孔防热复合材料进行了单轴压缩实验,获得了其压缩应力—应变曲线,研究了其压缩变形特征及相应的失效模式,并通过SEM观测变形前后的材料细观结构,分析了材料内部的细观变形机制,也为进一步建立表征材料内部细观结构特征的有限元模型和进行数值模拟研究奠定了实验基础。实验结果表明:材料内部纤维主要沿面内随机分布,呈现出明显的分层现象。受其结构的影响,该材料面内方向力学性能比厚度方向优越。     

2.5D编织结构复合材料温度场特征研究

考虑到编织结构陶瓷基复合材料（CMC）在涡轮叶片等航空发动机高温部件应用时，材料内部编织结构特征会导致高温部件的温度场存在波动性。为了研究复合材料温度场的波动特征，以2.5D编织结构复合材料为例，分别建立了基于等效导热系数的均匀化平板模型和基于材料全尺寸细观编织结构的平板模型，计算对比了两种平板模型的温度场分布及内部热量传输特征，同时探究了材料内部编织结构的角度、纤维束轴向与径向导热系数比、纤维束与基体导热系数比等材料结构特征参数和热物性特征参数对材料表面温度波动的影响规律，并开展了编织结构平板的温度场测试实验。研究结果表明：与基于等效导热系数计算得到的平板温度场相比，基于全尺寸编织结构平板模型得到的温度场存在明显的波动特征，当平板内部平均温度梯度为25383K/m时，表面温度波动幅值达到12.41K，表面最高温度由906.96K增加到911.60K，并且在平板内部热量的传输方向沿着纱线发生明显的偏转。同时，随着纱线编织角度的增加，材料表面温度波动幅值下降，但表面的高温区域增加，沿着经纱轴向的温度波动频次增加。随着纤维束轴径向导热系数比的增加，材料表面的高温区域基本不变，温度波动幅值小幅下降，均匀性增强；随着纤维束与基体导热系数比的增加，材料表面的高温区域增加，温度波动幅值降幅较大，均匀性得到较大提高。在本文的研究范围内，当边界温度达到1600K时，基于等效导热系数的方法无法准确地预估复合材料的温度场。     

1 500℃极端高温环境下高超声速飞行器轻质隔热材料热/振联合试验

远程高超声速飞行器处于极为恶劣的气动加热与振动耦合环境中,长时间的高温与振动载荷相互叠加会导致飞行器热防护材料出现裂纹、错位、剥离或脱落,甚至会引发致命的安全事故。因此热防护材料在极端高温环境下的地面热/振联合试验测试,对于高超声速飞行器的安全可靠性设计极为重要。建立高温与振动复合试验环境,设法解决轻质多孔隔热材料在强振动下,表面温度难于准确测量与控制的难题,制作水冷式隔热装置保护价格昂贵的振动激励设备等,实现了1 500℃高温环境下高超声速飞行器轻质隔热材料的热/振联合试验。得到非金属隔热材料陶瓷纤维板内部的断裂形貌及裂纹断面特征。根据试验前、后材料的表观及微观变化以及内部结合剂的变化等试验结果,对材料进行改进。经过试验测试后,达到了使用要求。本文建立的1 500℃极端高温环境下的热/振联合试验系统及试验结果为远程高超声速飞行器热防护材料的抗振动能力评估、隔热效果确定以及材料性能的改进提供了重要支撑。     

固液火箭发动机多界面喷管瞬态传热特性研究

固液火箭发动机是一种采用固体燃料和液体氧化剂的一种新型火箭发动机,由于燃料和氧化剂是不同物理状态,且在燃烧室内为非预混扩散燃烧,因此固液火箭发动机固体燃料的燃速低,工作时间长。固液火箭发动机喷管一般采用被动热防护喷管,喷管结构在长时间工作中的热防护问题是发动机设计中的关键问题。针对工作时间为200s的全尺寸固液火箭发动机,本研究采用碳陶复合材料、钨渗铜高温合金和高硅氧酚醛树脂等材料,提出了三种喷管结构方案。随后通过建立喷管材料瞬态热传导和烧蚀仿真模型,对三种不同方案的喷管结构的传热特性进行了仿真计算,分析了固体药柱内径在工作过程中变化对喷管传热性能的影响,发现药柱内径会改变燃烧火焰层结构,进而影响喷管壁面的温度分布和热流分布,热流密度在喷管喉部位置达到最大值。本研究同时还开展了相应的地面热试车试验,对仿真结果进行了验证分析。此外,对固液火箭发动机的喷管设计提出了建议和展望。     

出口宽高比对双涵道S弯喷管流动特性的影响

为了明晰出口宽高比对基于真实排气混合器构型的S弯喷管流动特性的影响机制,数值模拟了不同出口宽高比下的双S弯喷管内/外流特性。结果表明：出口宽高比对排气混合器附近的流场特征影响较小,但增加出口宽高比导致喷管下游纵向转弯处的涡量减小,而涡的横向运动更加剧烈,由此带来的涡损失及内/外涵掺混损失沿纵向有所减小,沿横向持续增大。随着出口宽高比的增加,纵向两弯处及等直段区域的壁面剪切应力减小,相应的摩擦损失和局部损失降低;而上、下壁面极限流线的扩张-汇聚程度增强使得该区域的摩擦损失增大。宽高比的增加导致喷管出口附近气流的轴向速度逐渐增大,出口下游的尾喷流速度核心区长度逐渐缩短。不同出口宽高比条件下,喷管几何构型与排气混合器相互作用产生的多种流动损失的变化趋势相反,综合起来对S弯喷管的气动性能影响较小。     

双S弯喷管的流固耦合特性研究

为了明晰S弯喷管的流固耦合特性,数值模拟了流固耦合作用下双S弯收敛喷管的结构变形特征及其内/外流特性。结果表明：S弯喷管的圆转方弯曲构型产生了非均匀的流场分布,并增强了结构的弹性特征,它们通过交换气动载荷与变形位移数据形成了S弯喷管流固耦合的作用机理。在气动载荷作用下,S弯喷管沿Y向的最大变形位移为25.3mm,它位于喷管出口上壁面的中心位置。当喷管的结构变形稳定时,第二弯转弯处下壁面的气流加速至局部超音速,壁面静压大幅降低;第一弯下游上壁面附近形成了气流分离区;喷管出口喷流沿轴向向上偏转。流固耦合作用导致S弯喷管的流量系数减小0.6%,推力系数降低1.8%。矩形截面与弯曲构型是影响S弯喷管流固耦合特性的主要几何特征,其中矩形截面能够显著增大喷管的变形位移;S形弯曲构型虽然能够有效抑制变形特征,但它导致喷管多个区域出现变形,喷管的结构变形分布变得更加复杂。     

返回舱/空间探测器热防护结构发展现状与趋势

针对中国天地往返和深空探测领域对热防护结构的需求，综述了国内外返回舱和空间探测器热防护材料/结构的发展现状，着重介绍了包括蜂窝增强热防护材料、纤维增强热防护材料、组合式热防护结构以及展开式热防护结构等在内的代表性热防护材料/结构的设计理念和性能特征。在系统总结热防护结构发展趋势的基础上，分析了返回舱和空间探测器热防护结构发展中存在的关键问题，可以看出：纤维增强热防护材料在热防护结构重量方面表现出了突出优势，材料拼接设计成为结构发展的重要阻碍；组合式热防护结构设计在现有材料发展水平的基础上，将成为提高热防护结构效率的有力途径；展开式热防护结构有望使航天器有效载荷重量显著提升，但受限于柔性热防护材料性能和结构工艺，仍有待发展。更加频繁的天地往返运输和深空探测项目的开展必将对热防护结构发展产生巨大的推动作用。     

深空探测发动机热环境研究

对深空探测发动机热环境进行了分析,发现深空探测发动机喷管将给探测器辐射较高热量;为了尽可能阻止热量散发至探测器,拟采用热阻材料;采用热阻材料后,喷管壁温较没有热阻材料时高,但还在使用范围之内.热防护分析方法经过了地面试车验证,计算结果与试车测量值符合较好.