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。     

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。     

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.     

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。     

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.     

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。     

过载条件下不同配方体系绝热材料筛选及烧蚀特性

以国内某发动机在飞行过载下绝热层的异常烧蚀为研究背景,基于地面过载模拟装置,模拟了飞行过载条件下的颗粒冲刷状态参数,针对不同配方体系的绝热材料开展了筛选试验以及烧蚀特性研究,实验获得了三种材料的最大炭化烧蚀率和质量烧蚀率,筛选出了实验条件下抗颗粒冲刷能力较强的绝热材料,并针对实验后绝热材料的炭化层进行了电镜扫描分析,结合绝热材料配方开展了抗烧蚀特性分析。研究结果表明：（1）在实验条件下,材料B的炭化烧蚀率和质量烧蚀率均最大,材料A的居中,材料A1的最小,材料A1的抗颗粒冲刷性能最佳;（2）由于芳纶纤维的原位成炭特性,决定了三元乙丙/芳纶纤维体系绝热材料的炭化层具有一定结构强度,而恰当的纤维和SiO2含量将会增强绝热材料的抗烧蚀性能;（3）根据研究结果,建议在工艺允许的情况下,可以考虑研制同时采用芳纶纤维和石棉纤维的绝热材料体系,在针对颗粒冲刷条件时,炭化层内即有可以形成骨架结构的芳纶纤维,又可以利用石棉纤维在受热分解时SiO2和MgO熔融后和纤维以及基体之间的粘结交联效应。     

轴向过载对固体火箭发动机前封头绝热层烧蚀的影响

研究了固体火箭发动机内绝热层在飞行速度条件下的炭化烧蚀特性。用烧蚀发动机的旋转实验装置上,对ＮＢＲ和ＥＰＤＭ绝热层试件进行了烧蚀实验。在加速度７０ｇ、压强５ＭＰａ、时间１０ｓ条件下,绝热层平均炭化烧蚀率增大系数小于１．７。实验结果可用为发动机绝热层设计的依据。     

高温氧化铝液滴沉积条件下绝热材料烧蚀实验方法研究

为了深入了解固体火箭发动机高温高压环境中氧化铝沉积条件下绝热材料的传热烧蚀规律,从全尺寸发动机中液滴流动状态与沉积规律入手,结合凝聚相颗粒与壁面的相互作用机理,确定了Sommerfold数K作为壁面捕获准则,发展了一种能够模拟高温氧化铝沉积条件下绝热材料烧蚀的实验方法。三维两相数值模拟和实验结果表明:实验装置沉积段内凝相液滴流动状态与全尺寸发动机背壁凹腔内相似,且绝热材料烧蚀率相近。据此证明,此装置后续可用于开展氧化铝液滴沉积条件下绝热材料烧蚀特性的实验研究。     

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。     

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。     

无石棉内绝热层材料现状与发展

介绍了内绝热层材料的防热机理与材料特性，综述了无石棉内绝热层材料的国内外研究现状及发展概况，并对今后的研究重点和发展趋势进行了探讨。     

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.      

耐烧蚀、低密度三元乙丙橡胶绝热层的研制

采用过氧化物硫化体系，芳纶纤维和耐烧蚀树脂作为耐烧蚀填料，阻燃剂为无卤的含磷阻燃剂，并通过L9(3^3)正交实验确定了含磷阻燃剂、耐烧蚀树脂、气相二氧化硅的最佳用量分别为25份、15份、15份。确定最佳配方和工艺生产出的三元乙丙橡胶绝热层密度为1．06—1．07g／cm^3，线烧蚀率为0.099mm／s，质量烧蚀率为0．043g／s，满足了某固体火箭发动机燃烧室内壁绝热层的技术要求。