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.     

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.     

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。     

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。     

飞行过载对燃烧室化学反应流场影响

为了研究飞行过载对固体火箭发动机燃烧室化学反应流场影响,以Liang模型模化铝滴燃烧,以有限化学反应速率模型模化湍流燃烧,对过载条件下发动机内流场进行了数值分析,数值结果与试验结果取得了趋势上的一致。研究表明,文中采用的数值计算方法可有效重现发动机热结构故障点;飞行过载改变了流场温度、粒子浓度、化学反应速率等参数分布;过载条件下燃烧室绝热结构表面铝滴积聚及剧烈的化学放热反应是导致其异常烧蚀的原因之一,铝滴局部积聚燃烧会导致温度场畸变;热结构设计必须与流动结构匹配。     

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。     

横向加速度对飞行发动机绝热层烧蚀影响的实验研究

设计了实验发动机与实验装置,进行了一系列飞行固体火箭发动机横向过载模拟试验,获得了不同加速度下发动机内绝热层烧蚀率定量化的试验数据。验证了横向加速度严重影响局部绝热层烧蚀的事实。机理分析表明,此种结果是由于横向加速度作用下燃气中Al₂O₃液态粒子偏离发动机中心线,沿离心力方向大量沉积所致。此项研究为相关的工程设计提供了基础性的依据。      

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。     

颗粒冲刷对绝热层烧蚀影响的实验研究

设计了两套冲刷状态可调的烧蚀实验发动机，开展了颗粒冲刷对绝热层烧蚀影响的实验研究。结果表明，冲刷速度是影响绝热层烧蚀的最主要因素；颗粒冲刷速度较低时，即使颗粒浓度很高，烧蚀率也并不是很大；对烧蚀数据进行的回归分析表明，最大线烧蚀率与颗粒冲刷速度平方接近正比关系，而颗粒浓度的影响非常小。     

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。