低温烧蚀材料的烧蚀实验研究

本文给出了低温烧蚀材料的高超声速风洞烧蚀实验研究的结果。模型外形是半锥角为9°的球锥体,头部半径为15毫米和25毫米,材料为蜂蜡和樟脑,实验条件是M_∞=6,α=0°、2°、6°和8°,Re_∞为(1.90～4.42)×10~7米~(-1)。实验结果表明:随着Re_∞的增加,可以获得层流、转捩和湍流烧蚀表面形态和端头烧蚀外形;证实了在实验过程的后期出现平衡外形,在平衡外形中存在角点;融熔型材料和升华型材料的烧蚀表面形态差别较大;有攻角和零攻角的烧蚀外形有较大差异。     

烧蚀边界层温度分布的测量

采用发射光谱法对电弧射流中再入模拟烧蚀边界层的参数分布进行测量,主要问题是如何获得对气体状态模型的确切了解和实现同时具有高空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率的辐射测量技术。本文提供了鉴定LTE条件是否存在的可靠方法,介绍了准确测量烧蚀边界层光谱辐射剖面的技术措施。测得驻点烧蚀边界层的温度分布与相应的理论计算结果符合较好。     

轻质烧蚀防热材料结构组成对烧蚀形貌的影响

采用石英灯烧蚀试验对研制的一种轻质烧蚀防热材料在不同防热结构下的烧蚀形貌和隔热性能进行了研究。结果表明:不同的防热结构形式,轻质烧蚀防热材料的烧蚀形貌不同,防热结构的纵向温度梯度和面内温度梯度均影响轻质防热材料的烧蚀形貌,温度梯度越小,热量在材料表面积聚越严重,因此表面碳化特征越明显。在不同材料的面内组合状态下,轻质烧蚀防热材料可实现与较高密度材料的匹配烧蚀,说明其烧蚀防热效率较高。在防热结构设计时,可综合考虑其面密度和烧蚀形貌,合理利用防热结构组成,实现高效防隔热和轻量化设计。     

烧蚀反应动力学参数的确定

本文提出了一种理论模型与实验相结合确定碳基材料烧蚀反应动力学参数(活化能和指前因子)的方法。首先建立了碳基材料热化学烧蚀的湍流边界层模型,运用数值方法对边界层守恒方程组、表面烧蚀和固相热传导进行耦合求解,计算过程中不需要事先假设烧蚀的控制类型。其次,在电弧加热器中模拟火箭发动机喷喉的烧蚀环境进行烧蚀材料与氧化性气体反应的烧蚀实验。最后,运用所建立的模型和在电弧加热器上的实验结果进行预测比较,确定烧蚀反应的动力学参数。作为实例,确定了石墨与CO_2的烧蚀反应的动力学参数。     

一种轻质烧蚀结构一体化材料

针对某产品的防热需求,研究了一种轻质烧蚀结构一体化材料,对其坯料(材料A)的热处理制度及预固化程度进行了研究,确定了最佳的热处理温度和时间;对材料A成型得到的轻质烧蚀结构一体化材料(材料B)的拉伸性能和热物理性能进行测试,通过电弧风洞对烧蚀性能进行考核,并对烧蚀后材料的纵向密度分布进行了分析。结果表明,添加一定的处理剂可提高材料的拉伸强度和断裂延伸率,处理剂可有效增强材料各组分的界面结合强度;材料B的热扩散率比材料C(中密度)低,在中高热流状态下,材料B烧蚀表面碳层完整致密,与材料C相比,线后退率略大,质量损失率略小,背壁温度较低,材料B具有更好的烧蚀隔热性能。     

固体火箭喷管烧蚀和传热的基本问题

总结固体火箭复合结构全喷管烧蚀和传热计算中的基本问题:二相跨音速喷管粘流,燃气与喷管壁面的换热,不同材料的热化学烧蚀模型,粒子侵蚀,烧蚀控制机制,移动边界下的瞬时导热,烧蚀与传热的耦合,复合结构全喷管烧蚀和传热的CAD,以及测试等。在解决基本问题的基础上,对复合结构全喷管可获得其烧蚀率和温度分布。     

C/SiC材料主动氧化烧蚀计算研究

建立了C/SiC材料的热化学平衡烧蚀模型,进行了C/SiC材料烧蚀机理的计算研究和试验验证,理论计算结果和试验数据符合良好。计算结果表明,在高温空气环境下,C/SiC材料的无因次质量烧蚀率B与材料中C元素、Si元素的质量分数及温度、压力有关。在同样条件下,C/SiC材料主动氧化烧蚀速率大于C/C复合材料烧蚀速率。     

烧蚀花纹的分形结构及菱形花纹传热特性

在外流Ｍ＝５湍流边界层状态下，模型为１７０×３００ｍｍ￣２蜂蜡平板上进行了烧蚀花纹图案生成的实验研究，通过实验证明了人工安置干扰源并不影响烧蚀材料表面花纹的有序结构，对大面积烧蚀花纹的分析表明，局部花纹结构具有随机性质，因此烧蚀花纹具有分形结构的特性，用分形方法可以大致模拟花纹生成图案。菱形沟槽热流测量结果表明，在材料有烧蚀响应的情况下，大面积菱形花纹具有稳定性质，不产生局部烧蚀崩溃现象。     

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。     

几种低密度烧蚀材料热膨胀性能的测试及研究

热膨胀性能是评价低密度烧蚀材料的的重要参数，针对低密度烧蚀材料的一些特殊性，对测试装置进行了改造并研制了大试样线胀系数测试装置，对四种低密度烧蚀材料进行了系统的测试并对材料性能做了一些分析研究工具。     

蜂窝增强低密度硅基烧蚀防热材料性能

高速再入飞行器通常采用烧蚀防热材料作为外表面大面积的热防护材料。本文对两种蜂窝增强低密度硅基烧蚀防热材料的力学性能、热物理性能和烧蚀性能进行了测试,并结合试验结果对烧蚀机理进行了研究分析。结果表明,材料的密度越高、拉伸强度就越高,但拉伸模量相近;两种材料的隔热性能参数都较低。两种材料在不同热流密度条件下的电弧风洞烧蚀后退速率都较低,在部分烧蚀条件下有轻微膨胀。两种材料的烧蚀背温都较低,烧蚀表面形貌良好,能满足设计指标要求,是一种适用范围较广的烧蚀防热材料。     

烧蚀环境下的圆柱绕流计算模型

基于多学科理论建立了高温高压气流环境下圆柱烧蚀、剥蚀的数理模型。利用离散涡方法计算流场与圆柱表面压力分布;采用三方程烧蚀模型计算热化学控制机制下的烧蚀速率,并将其与扩散控制机制下的结果相比较以确定烧蚀量;引入颗粒轨道模型求解剥蚀颗粒的运动。基于该模型对高温高压燃烧室内圆柱形烧蚀试件的绕流场、烧蚀量以及剥蚀颗粒的运动轨迹进行了编程计算分析。研究表明:低雷诺数条件下烧蚀环境对绕流流场的影响不大,而较高雷诺数条件下烧蚀绕流流场与无烧蚀绕流流场的涡街分布存在显著差别;在低雷诺数条件下流场对烧蚀速率的影响甚微,较高雷诺数条件下烧蚀速率略大于无流场烧蚀情况;涡量的存在决定着剥蚀颗粒的运动轨迹与分布,进而影响尾流热场与烧蚀速率。该模型可为热防护材料的烧蚀实验提供参考,并为烧蚀、剥蚀过程的非线性分析提供数据支持。     

碳-酚醛材料的温度场及烧蚀研究

本文研究了碳-酚醛材料在固体火箭发动机喷管中的烧蚀机理及性能.阐述了烧蚀过程中化学反应、粒子侵蚀及剪切力作用三方面的影响,并进行了计算.计算与实验结果比较,得到了综合考虑化学、机械两方面因素的烧蚀计算经验式.     

高粘度SiO_2材料烧蚀传热机理及试验验证

通过对高粘度SiO2材料的烧蚀及传热分析,建立了硅基材料的固体层一液体层的耦合烧蚀计算方法.给出了材料烧蚀过程中烧蚀速度、液层厚度、液层温度及固体温度的表达式及求解方法,并把计算结果与电弧加热器平板烧蚀试验的液层厚度分布及烧蚀量的精确测量结果进行了对比.结果表明新模型的液层厚度及烧蚀量与实验结果符合很好.     

丁腈橡胶增韧酚醛树脂基变密度烧蚀防热复合材料研究

采用丁腈增韧酚醛树脂作为变密度烧蚀材料基体，通过化学发泡法来降低材料的密度，并通过调节发泡剂用量实现对材料密度的设计，制备了变密度烧蚀材料并进行了性能测试。实验结果表明：变密度烧蚀材料的力学性能随密度的升高而提高，隔热性能随密度的降低而提高；采用变密度烧蚀材料可使材料的烧蚀热效率提高12％左右。     

长尾喷管传热及烧蚀特性研究

针对长尾喷管的热防护问题,本文采用实验和数值仿真结合的方法,研究了采用SQ-2推进剂固体火箭发动机复合结构长尾喷管的传热以及烧蚀特性。仿真程序采用基于格心的有限体积法,对流体域求解Navier-Stokes方程,对固体域求解热传导方程,湍流模型采用k-ω SST模型,通过保证热流密度大小相等、温度连续的方法实现耦合传热计算;在以上仿真计算方法的基础上建立了基于热解动力学的变热物性模型描述碳/酚醛材料的体积烧蚀,并采用简化的异相反应模型对喷管热化学烧蚀量进行计算。结果表明在收敛段和等直段区域压强变化较小,炭化层厚度和烧蚀量与温度分布相似, 并在距离等直段入口约1.6mm位置达到极小值。碳/酚醛材料炭化速率随时间减小,烧蚀速率随时间增长趋于稳定,而喉衬区域C/C复合材料烧蚀速率随时间增加。     

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。     

绝热材料动态烧蚀试验方法

为了研究绝热材料的动态烧蚀特性,建立了一种敞开环境下绝热材料烧蚀表面的实时监测方法,用光学技术实时记录绝热材料试样表面烧蚀形貌和烧蚀面退移过程,通过图像处理,成功获得了绝热材料动态烧蚀率和烧蚀形貌的相关信息。该监测方法可对一定条件下炭化层的动态烧蚀性能进行评估,通过图像的批处理可获得每一时刻的动态烧蚀率和前n秒的平均线烧蚀率,适用于绝热材料动态烧蚀特性研究,还可以用于研究在绝热材料表面的炭化层形成和消耗特性。     

电弧风洞加热条件下聚四氟乙烯烧蚀热响应特性

高温加热条件下,由于聚四氟乙烯的热解,对烧蚀温度场计算结果有较大影响,为了提高聚四氟乙烯烧蚀温度场计算精度,建立了聚四氟乙烯烧蚀温度场计算方法,对电弧风洞加热条件下聚四氟乙烯表面烧蚀热响应特性进行了验证研究。理论计算和试验测量结果对比表明:230～323℃升温区间内,随时间增长,温度逐渐升高,理论计算与试验测量结果变化趋势一致;323～680℃升温区间内,随时间增长,试验测量温度逐渐升高,理论计算温度为定值,理论计算与试验测量结果存在一定偏差;680～390℃降温区间内,随时间增长,温度降低,理论计算高于试验测量值,这与理论计算烧蚀量存在偏差有关。采用聚四氟乙烯材料烧蚀温度场计算方法,可以有效模拟高温加热条件下聚四氟乙烯热响应特性,从而为产品设计提供参考。     

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。