燃气参数及材料缺陷对绝热层烧蚀率影响的试验研究

提出了固体火箭发动机绝热层烧蚀性能的试验评估方法，建立了在不同燃气参数和绝热层材料有缺陷条件下的烧蚀模型及烧蚀率经验公式，并对绝热层烧蚀率影响程度进行了分析，为绝热层设计提供了依据。     

用发动机法测量绝热层的烧蚀率

本文以相似理论为指导进行了新的绝热层烧蚀率的实验探索。实验中我们利用透明窗发动机系统并按照与试件相近的真实环境状态,如燃气温度、成分、绝热层所处的环境,进行了燃气流场和对流传热模拟。实测的发动机所用三号绝热层的烧蚀率结果明表,比氧/乙炔烧蚀法所测结果理想。从而为正确预示绝热层烧蚀率的实验研究迈出了新的一步。     

两相环境下EPDM绝热层多因素耦合烧蚀预估

为保证发动机能在恶劣的环境中运行,在绝热层的设计中,绝热层的厚度将直接影响着发动机结构的稳定性,而绝热层的烧蚀预估对于绝热层厚度的合理设计非常重要。为解决固体火箭发动机三元乙丙橡胶(EPDM)绝热层烧蚀性能工程预估问题,结合固体火箭发动机内两相流动的环境特点,以热化学烧蚀三方程模型和扩散化学动力学双控制机制为基本数学模型,以炭化层表面孔隙率为耦合参数,并综合考虑气流和粒子的侵蚀效应,建立了绝热层多因素耦合烧蚀模型的控制方程。通过对控制方程的隐式求解和对绝热层温度分布以及烧蚀线、炭化线、热解线位置的综合分析,获得了两相环境下EPDM绝热层的理论炭化烧蚀率。所得烧蚀率与实验结果对比,误差小于10%,表明给出的烧蚀预估方法可用于固体火箭发动机两相环境下EPDM绝热层烧蚀工程分析。     

芳砜纶浆粕/EPDM绝热层热性能及界面特性研究

芳砜纶浆粕/EPDM绝热层是固体火箭发动机的一种高性能新型绝热材料。在分析芳砜纶浆粕和芳纶浆粕热稳定性的基础上,对比研究了芳砜纶浆粕/EPDM绝热层与芳纶浆粕/EPDM绝热层的耐烧蚀性能、热性能及界面结合,并采用热失重、动态热机械与扫描电镜等手段分析了造成性能差异的原因。实验结果表明,芳砜纶浆粕的热降解峰值温度比芳纶浆粕高100℃。与芳纶浆粕/EPDM绝热层相比,芳砜纶浆粕/EPDM绝热层的线烧蚀率、热导率和热扩散系数较低,热稳定性较高,芳砜纶浆粕与基体的界面结合较好,这有利于提高绝热层的耐烧蚀性能。芳砜纶浆粕/EPDM绝热层可作为高性能绝热材料而广泛应用。     

芳纶纤维对EPDM绝热层烧蚀性能的影响

研究了芳纶短纤维长度和用量变化对EPDM绝热层烧蚀性能的影响,总结了填充芳纶短纤维的绝热层硫化胶在平行纤维方向和垂直纤维方向上烧蚀性能的变化规律,并对两个方向上绝热层烧蚀性能的影响机理进行了分析。结果表明,填充芳纶短纤维会使绝热层的烧蚀性能因烧蚀方向不同而存在差异,绝热层的烧蚀性能与纤维初始长度及其在橡胶中的排列方式密切相关。     

飞行加速度对固体发动机后封头绝热层烧蚀的影响

固体火箭发动机后封头绝热层的炭化烧蚀率与飞行加速度有关。概述了国内外在这方面的一些研究情况，着重讲述了固体火箭发动机后封头内绝热层烧蚀的实验研究。实验表明：不同材料的绝热层在加速度作用下烧蚀率明显不同。在加速度作用下，后封头内绝热层的炭化烧蚀率小于静止状态的炭化烧蚀率。     

基于烧蚀发动机的EPDM烧蚀性能试验研究

采用有2个流速试验段的烧蚀试验发动机在双基推进剂和含Al 10%复合推进剂燃气环境下对EPDM绝热材料进行烧蚀试验,分析了压强、燃气组分和速度等因素对EPDM绝热材料烧蚀特性和炭化层微观结构的影响规律。研究表明,EPDM绝热材料炭化率和质量烧蚀率随着燃气速度和燃烧室压强的增加而增大;在燃气温度、燃烧室压强和燃气速度接近的条件下,含Al 10%复合推进剂燃气环境下的炭化率是双基推进剂燃气环境下的2倍;EPDM绝热材料炭化层的结构呈现一种致密/疏松的多孔结构,表面存在一层致密层。烧蚀模型中炭化层物理模型可用非均质可渗透多孔介质描述。     

富氧环境模拟绝热层烧蚀试验方法

发展了一种能模拟固体火箭冲压发动机补燃室富氧环境并用于绝热层烧蚀研究的试验方法。用常规燃气发生器产生的燃气,与补进的氧气(氮气)、空气混合,通过控制流量,模拟固冲发动机补燃室内的压强、流量、燃气温度和富氧度等参数。组建了试验系统,对燃气参数进行了校测,并开展了4种绝热材料在富氧环境下的烧蚀试验。结果表明,该系统能够模拟富氧烧蚀环境,可利用该试验方法开展富氧环境下绝热层配方筛选和烧蚀机理研究。     

填充纤维及阻燃剂对EPDM绝热层耐烧蚀性能的影响

研究了填充纤维、阻燃剂种类及用量对EPDM绝热层耐烧蚀性能的影响。结果：当芳纶纤维的最佳填充量为5－8份，含磷阻燃剂的最佳用量为15－25份情况下，它们可显著提高EPDM绝热层的耐烧蚀性能。     

基于RTR技术的绝热层烧蚀实时测量试验

发展了一种基于X射线实时诊断技术(RTR)的绝热层烧蚀实时测量方法,对高浓度颗粒流冲刷条件下绝热层瞬时烧蚀率进行了测量,成功获得了强冲刷条件下绝热层表面烧蚀退移过程的序列图像。结果表明,不同时刻凹坑最低点的位置沿试件长度方向变化,其连线近似与气流的冲刷方向平行;通过图像处理获得了瞬时烧蚀率和平均烧蚀率随时间变化的数据,结果显示试件烧蚀凹坑最低点处烧蚀率在开始时迅速增大,到达峰值后开始下降,并逐渐趋于平缓。该结果可为绝热层烧蚀机理研究提供依据。     

有机纤维/EPDM绝热材料性能研究

通过对腈纶短纤维、芳纶短纤维各自用量对EPDM绝热层材料烧蚀速率、孔隙率影响的研究,并结合氮气环境下热失重曲线和炭层SEM照片分析,发现腈纶短纤维不仅高温残炭率高于芳纶短纤维,而且可在较宽的温度范围内逐步热解炭化,烧蚀过程所产生的热解气体能逐步而快速地释放出炭层,结炭层孔隙率小,致密坚硬,能抵抗高温燃气流的烧蚀和冲蚀作用,材料的烧蚀速率较低;芳纶短纤维虽然具有较高的热稳定性,但热分解温度范围较窄,热解所产生的大量气体很难快速释放出炭层表面,结炭层孔隙率大,炭层疏松且呈层片状,不能抵抗高冲蚀性粒子流的烧蚀和冲蚀,烧蚀速率较高。     

EPDM绝热材料耦合烧蚀模型

以EPDM类绝热材料烧蚀特性为研究对象,借鉴多孔介质领域的相关理论和方法,以炭化层的孔隙结构特征和参数为纽带,建立了考虑热化学烧蚀、颗粒侵蚀和气流剥蚀的EPDM类绝热材料耦合烧蚀模型,并进行了模型的初步实验验证。结果表明,所建立的模型不仅在EPDM类绝热材料烧蚀率预示方面具有较高的计算精度,而且在细管上能够基本反映绝热材料的烧蚀特性。     

白炭黑与硼酚醛树脂用量对EPDM/NBR柔性绝热层材料性能的影响

通过比较分析白炭黑与硼酚醛树脂用量对EPDM/NBR柔性绝热层材料拉伸强度、断裂伸长率、质量烧蚀速率和线烧蚀速率以及相对密度的影响,得出随着白炭黑或硼酚醛树脂用量的增加,柔性绝热层材料的拉伸强度和相对密度呈递增趋势,烧蚀速率呈递减趋势,断裂伸长率在白炭黑和FB用量各自为20份时有极大值.     

丁羟推进剂粘接体系中的组分迁移

用浸泡增重法研究了衬层、绝热层对DOS和T27的吸收能力,用气相色谱仪研究了HTPB推进剂/HTPB衬层/EPDM绝热层粘接体系中DOS、T27和GFP的迁移。结果表明,HTPB衬层和EPDM绝热层对DOS和T27的吸收能力很强;粘合剂的极性增大或交联密度升高,衬层对DOS、T27的吸收能力下降,但粘合剂的极性增大,对衬层与HTPB推进剂的界面粘接性能不利;在HTPB推进剂/HTPB衬层/EPDM绝热层粘接体系中,DOS、T27或GFP的迁移平衡浓度为粘合剂相的平衡浓度。     

高温热环境下EPDM绝热材料炭层表面相态试验

为了解EPDM绝热材料烧蚀过程中炭化层表面相态,以及在热态环境下炭化层的抗冲击结构特点,设计了一种表面碰撞试验装置.利用设计的试验装置,在含铝5％的复合推进剂燃气环境中,对一种EPDM绝热材料进行了炭化层表面相态探测试验,清晰地获得了撞击后的炭化层表面形貌.试验结果分析表明:在本研究条件下,EPDM绝热材料炭层表面基本...     

柔性无卤含磷体系EPDM绝热层在固体火箭发动机中的应用

介绍了所研制的柔性无卤含磷体系EPDM绝热层在某固体火箭发动机中的应用,包括绝热层的主要性能指标,绝热层与推进剂的化学相容性,绝热层界面粘接性能;绝热层模压制件工艺实验结果及绝热层在地面静止试验发动机上的试验情况,实验结果表明,该绝热层密度低、烧蚀性能和成型工艺性良好,并且环保、特征信号低完全满足某固体火箭发动机的绝热问题。     

富氧环境下绝热层烧蚀模型

采用模拟固体火箭冲压发动机补燃室富氧环境的试验系统,测试了几种绝热层材料不同氧含量环境下的烧蚀特性。烧蚀过程中燃气中的氧化性组分会渗入炭化层内部,在炭化层内的孔隙中与材料发生放热的化学反应,大量消耗碳,加剧了烧蚀的过程。通过试验结果分析,建立了以基体层、热解层、炭化层为基础的富氧烧蚀模型。应用该模型预估了试验所用绝热层材料的烧蚀率,计算值与试验值较为一致。     

燃气流速对EPDM绝热材料炭化层结构特征的影响

基于一种可变流速的烧蚀发动机,在含铝燃气环境中对三元乙丙绝热材料炭化层的结构特征开展了烧蚀试验研究,并对绝热材料表面炭化层进行了SEM分析及能谱分析.试验结果表明,绝热层表面燃气流速不同,所生成的炭化层表面、背面及侧面形貌及孔隙都有很大区别;燃气流速增大,炭化层厚度明显变薄,表面铝、硅氧化物沉积增加,同时炭化层材质疏松程度加大,结构强度减弱.     

中温硫化三元乙丙橡胶绝热层配方研究

介绍了中温(80℃)硫化三元乙丙橡胶(EPDM)绝热层的各项性能,考察了促进剂种类对EPDM硫化特性的影响。结果表明,二硫代氨基甲酸盐类促进剂对中温硫化EPDM的硫化促进作用最好,该中温硫化EPDM绝热层的本体性能与高温硫化胶相当,且综合性能优良;发动机壳体修补工艺试验结果表明,配方性能和工艺性能均满足发动机修补要求。