固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的烧蚀及热结构特性研究进展

固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的工作环境面临高温、高压、高速燃气流和大量凝聚相颗粒的烧蚀和冲刷,对材料的抗烧蚀性能和热结构特性要求十分严格。因此,从烧蚀实验和热结构特性实验研究、热结构特性预测与气体-颗粒两相流数值模拟三个方面,论述了轴编C/C复合材料的烧蚀及热结构特性研究进展。总结讨论了实现真实烧蚀工作环境的模拟和影响烧蚀实验参数的控制是高温烧蚀实验的难点,对于铝颗粒添加下工况的烧蚀实验和在细观尺度下热结构特性参数的测定实验是重点;提出从实验件类型、实验系统设计和对比有无铝颗粒添加下的工况进行烧蚀实验;提出采用一种热稳定性材料取代界面的实验方案进行热结构特性参数的测定实验。在热结构特性研究的细观尺度方面,组分材料之间的界面对热结构特性的影响有待深入研究,提出在代表性体积单元模型的基础上引入温度的周期性边界条件来实现热结构参数的预测。在气粒两相流数值模拟方面,发动机内不同相之间相互耦合作用以及对轴编C/C复合材料的机械侵蚀是数值模拟研究的难点,提出使用SDPH-FVM耦合的方法去解决内流场燃烧流动的问题,进一步可用来揭示内流场燃烧流动机理。     

复合材料雷击防护电热耦合模型

为了研究复合材料雷击防护(lightning strike protection,LSP)系统在雷电流作用下的损伤规律,基于雷击过程中的能量守恒关系,建立复合材料层合板雷击防护的电-热耦合数学模型。在此基础上,在ABAQUS中建立铝涂层防护的碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)层合板雷击烧蚀损伤有限元模型,并对雷击烧蚀损伤进行分析,和实验结果对比验证仿真的有效性,得出复合材料层合板在不同峰值雷电流、不同组合波形和不同铝涂层厚度雷电流作用下的烧蚀损伤规律。结果表明:铝涂层厚度相同时,峰值电流从50 kA增大到100 kA时,复合材料层合板损伤面积约增大1.5倍;10/350波形50 kA峰值雷电流作用下,基准件的损伤面积约为0.05 mm厚度铝涂层防护系统下复合材料损伤面积的4倍。     

钛合金表面抗激光涂层损伤特性及热效应影响研究

实验研究了钛合金和高反射型陶瓷涂层材料抗连续型激光烧蚀的损伤及温度分布特性，并从热效应影响角度对比分析了二者在抗激光损伤效果方面的差异性。研究结果表明：相比于钛合金，高反射型陶瓷涂层材料能有效增强钛合金基底抗激光损伤的能力；在同等激光功率密度辐照下，陶瓷涂层材料能有效提升钛合金基底耐受激光辐照的时间长度。实验结果表明该陶瓷涂层材料的激光损伤阈值比钛合金高约5.8倍。实验发现陶瓷涂层温升速率高于钛合金，但由于陶瓷材料具有较高的反射特性，以及良好的热吸收和热传导特性，因此能使由激光辐照产生的热量在其表面较快地扩散，而降低向基底方向传导的程度，最终提升陶瓷涂层的抗激光损伤阈值。     

散射对高温气体-碳黑颗粒混合物辐射传输的影响

基于全光谱k分布(Full spectrum k distribution,FSK)模型、MIE理论和有限体积法(Finite volume method,FVM),构建了均温、均质辐射参与性气体-碳黑颗粒混合物介质热辐射传输模型,并分析了碳黑不同尺寸、不同体积浓度以及介质不同路径长度和不同温度条件下,因忽略碳黑颗粒散射所导致的介质热辐射传输特性(如辐射热流、辐射源项)的计算误差。研究结果表明:体积分数不变,增大粒径,计算误差呈现出先增大后减小的趋势;数密度不变,增大粒径,或者粒径不变,增大体积分数,均将使得计算误差相应增大;粒径、体积分数不变,增大路径长度,或者升高介质温度,均将增大计算误差。通常对于含有大颗粒、高碳黑浓度的辐射参与性气体-碳黑颗粒混合物介质,碳黑颗粒散射不能忽略。     

吸气式电推进系统可行条件分析

吸气式电推进系统作为有可能实现长寿命超低轨飞行的技术而被关注。根据不同轨道环境条件，采用管状结构进气道、以及机械增压的吸气方式，讨论了吸气式电推进系统所需的可行条件。分析表明，在轨高度180~240km，航天器所需总功耗与迎风面之比需要大于2kW/m2，电推力器比冲需大于4×104m/s，方可满足推阻平衡需求。分析得出，实现吸气式系统在地球轨道的运用，关键技术在于增加气体收集效率并且降低收集功耗，同时电推力器的效率还需进一步提升。     

进气道风洞试验气体流量计实况校准技术

为更精确地测量飞行器进气道风洞试验中流量参数，对进气道低速风洞试验中使用的小流量气体流量计开展实况校准方法研究，在FL-8风洞研制了一套工作压力小于0.1MPa，喷嘴Ma≤1，进气流量m≤2kg/s的基于音速喷嘴的可移动流量计校准系统。考虑到雷诺数与马赫数对流出系数的影响，采用依据实际风洞试验流量计工作状态参数的原则选取校准点；采取在流量计实际工作地点校准的方式以减小系统误差，校准后直接安装进气道模型进行风洞试验。试验结果表明：该校准方法重复性和装置稳定性良好，解决了现有流量计校准与实际试验中流动状态不一致，造成流出系数不准确的问题。有校准修正的流量要比无校准修正的流量相差2%～3%，由此引起进气道的性能参数差量达1%～2%。因此，该实况校准方法可有效减小测量误差，提升进气流量测量精准度。     

高压捕获翼构型的跨流域气动特性

高压捕获翼(HCW)构型是一种满足高速飞行器高容积、高升力、高升阻比的设计需求的新型气动布局.最近研究表明,HCW构型能够提高飞行器在连续流区的升力和升阻比,缓解飞行器设计中高容积率与高升阻比间的矛盾.为探究该气动布局在过渡流域(70～100 km)的气动特性,以一种楔—平板组合的高压捕获翼原理性构型作为模型,采用直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法,详细分析了该模型在典型高超声速条件(马赫数20)下的流场结构和壁面气动力/热分布.结果表明,随着飞行高度增加,稀薄效应增强,机体压缩产生的激波厚度增加,激波边缘逐渐模糊,机体与捕获翼之间的开放通道内出现压力干扰.同时,高压捕获翼表面的摩擦系数迅速上升,气动摩擦成为制约捕获翼构型升阻比的重要因素.针对这一问题,分析了捕获翼材料表面的适应系数对飞行器的气动力/热的影响,结果表明,降低适应系数可以显著减小壁面摩擦和热流量,可通过选用适应系数较小的表面材料进一步提高该类飞行器气动性能.     

热发射过程中发射箱蒙皮力学性能损伤与试验研究

文中选择大、中、小3种典型结构尺寸的发射箱，利用计算流体动力学（Computational fluid dynamics，CFD）仿真软件Fluent对发射箱蒙皮表面在导弹发射过程中的力、热环境进行了仿真分析。以铝合金材料为例，对发射箱蒙皮材料在燃气流环境中力学性能损伤情况进行了烧蚀试验研究。研究结果表明，随着烧蚀时间延长，铝合金材料力学性能损伤存在一个突变点，在1.5 s内下降不明显，但是当烧蚀时间延长至2.0 s时，力学性能急剧下降至0。该研究结果为铝合金发射箱轻量化设计、热防护设计和使用次数设计等提供了数据支撑。     

钛合金裂纹产生原因及改进工艺

针对某型号发动机壳体组件水力试验后进口段荧光线性缺陷问题,通过对缺陷进行宏观观察、金相组织检查、断口分析、材料成分分析和硬度检查,确定了缺陷类型产生原因。运用Procast铸造仿真模拟软件开展了针对性的改进工艺研究。结果表明:进口段荧光线性缺陷为裂纹,呈典型的准解理断裂特征。表层脆而硬的富氧层是导致壳体开裂的诱因,其形成与补焊有关。基于仿真模拟的改进工艺成功将缺陷转移至冒口,减少铸件内部缺陷数量,降低补焊量;使用氩气保护箱改善气体保护效果,提高补焊质量。改进措施实施后,铸件、零件以及组件的荧光检查均一次合格,并且顺利通过地面试车考核,解决荧光线性缺陷问题,消除了薄弱环节,提高了发动机的可靠性。     

火星车低气压无风热环境模拟试验技术

为模拟火星车工作时所处大温差、低气压环境,文章以自主研制的调温热沉系统和压力控制系统为依托,实现试验容器热沉系统温度在-135~27℃间任意快速调节,均匀性优于±5℃;试验容器内气体压力控制值与目标压力值之差在±10 Pa之内。在国内首次完成无风环境下的火星车温控模拟舱验证试验,为火星车热分析模型修正以及后续火星车有风热环境试验提供了参考。