固体火箭发动机喷管喉衬烧蚀研究进展

在固体火箭发动机工作过程中,由于热化学烧蚀和机械剥蚀的作用,将导致发动机喷管产生烧蚀行为,直接关系到固体火箭发动机的结构可靠性。为了较为深入地了解固体火箭发动机喷管喉衬烧蚀行为及其机理,对国内外固体火箭发动机喷管喉衬烧蚀研究进行了归纳和总结,详细阐明了喉衬烧蚀试验方法、喉衬烧蚀机理及喉衬烧蚀模型;总结了常用的喉衬烧蚀试验方法,并分析了各自优缺点;从热化学烧蚀和机械剥蚀两方面介绍了喉衬烧蚀模型研究进展,分析了目前喉衬烧蚀模型的研究水平。最后,对固体火箭发动机喷管喉衬烧蚀需要开展的工作提出了建议,包括发动机烧蚀率的试验评估方法,喉衬耦合烧蚀计算方法及过载条件对喷管烧蚀的影响规律等,以期为后续研究工作提供一定的借鉴和参考。     

Al2O3型碳/陶功能梯度材料烧蚀试验研究

Al2O3型影陶功能梯度材料作为一种新型喷管热防护材料，其具有导热系数较低及良好的隔热性能。在氧乙炔烧蚀试验条件下该材料有很好的耐烧蚀性，但由于发动机内的工作环境更为恶劣，为了更好地反映材料在固体火箭发动机中的烧蚀情况，该研究工作采用了试验发动机进行烧蚀试验。结果表明，试验发动机中获得的烧蚀率数据高于氧乙炔试验数据。文中在试验基础上分析了Al2O3型影陶功能梯度材料在发动机工作条件下的烧蚀性能及导热性能。     

过载对固体火箭发动机性能影响试验研究(英文)

建立了立式旋转试车台,研究了高过载对固体火箭发动机性能的影响。通过地面静止及不同过载(15gn,15gn;35gn,15gn)条件下点火对比试验,获得固体火箭发动机在不同过载条件下内弹道性能以及绝热层和喉衬的烧蚀规律。试验表明,随着过载增加,发动机压强增大、工作时间缩短;横向与轴向的组合过载恶化了烧蚀环境,使喉衬出现偏心烧蚀。     

等离子喷涂成型钨基材料及薄壁构件研究

对小型固体火箭发动机喷管喉衬内衬用零烧蚀材料进行研究。采用大气等离子喷涂工艺成型难熔金属钨基薄壁构件,并进行材料性能表征。结果表明,等离子喷涂工艺成型钨材料经烧结、渗铜处理后,致密化程度提高,力学性能提升,压缩强度达750 MPa以上,通过试验条件为温度3 000～3 500 K、工作时间6.4 s、平均压强3.2 MPa的小型试验发动机热试车考核,材料烧蚀率为零。喷涂钨/烧结/渗铜材料可作为3 000 K条件下零烧蚀材料的候选。     

C/C喉衬材料烧蚀试验方法研究

C/C喉衬材料的烧蚀性能与原材料性能、工艺过程有很大关系,采用小型试验发动机可有效进行C/C喉衬材料烧蚀性能模拟试验。介绍了3种小型发动机喉衬烧蚀试验方法,并着重分析了一种方形喉衬的试验方法。试验结果表明,该方法适于各类喉衬材料的烧蚀性能对比,尤其适用于径棒法编织的C/C喉衬材料。     

小推力长时间工作固体火箭发动机初步试验研究

为了实现小推力固体火箭发动机的长时间工作,对4种采用复合推进剂端燃药柱的发动机进行设计和试车.工作时间分别达到75、105、145、235 s.试验结果表明,该发动机设计方案合理,采用这种C/C喉衬的复合结构喷管实现长时间工作是完全可行的.其中,75 S发动机的地面比冲为2 217 N·s/kg;145 s发动机的地面比冲为2 236 N·a/kg;235 s发动机的地面比冲为2 147 N·s/kg,性能测试结果基本满足发动机总体指标要求.此外,在试验过程中,还获得了C/C喉衬的烧蚀和绝热层的烧蚀炭化规律,为后续开展长时间工作固体火箭发动机研究提供了重要参考.     

航天飞机小尺寸烧蚀喷管试验

近来,使用小尺寸喷管试验,鉴定了有希望的新型碳酚醛烧蚀材料。这些材料采用短粘胶纤维.聚丙烯腈纤维和沥青基碳布制成。为喷气推进试验室48英寸碳发动机设计的4英寸喉径潜入式喷管,用来鉴定有20种烧蚀材料的5种不同的设计。这种装有3200磅航天飞机固体火箭发动机使用的推进剂(聚丁二烯丙烯酸丙烯腈)药柱,提供的燃烧室压力——时间条件,类似于航天飞机固体火箭发动机最初45秒的工作环境。     

热化学烧蚀理论在喷管碳酚醛材料上的烧蚀应用研究

针对固体火箭发动机研制中应用广泛的碳布／高硅氧布酚醛缠绕制品，采用三方程热化学烧蚀反应理论和模型，对固体火箭发动机喷管扩散段进行了热化学烧蚀研究，并在某型号发动机上进行了验证计算。研究结果表明：该计算和试验结果基本吻合，具有一定的工程指导作用。     

喷管喉衬温度场计算影响因素的数值分析

本文以计算机数值实验的方法对固体火箭发动机喷管喉衬温度场计算的几种影响因素,包括温度场模型、对流换热系数,推进剂金属微粒引起的热幅射、材料物理参数及背壁边界条件等,进行了数值分析。针对小型固体火箭发动机工作条件给出了不同的计算条件变化可能造成的数值影响效果,力求为喉衬温度场计算选取模型和参数等问题提供参考。     

C/C喉衬材料烧蚀反应动力学参数测试研究

反应参数对固体火箭发动机C/C喉衬烧蚀机理的研究至关重要。针对喉衬烧蚀的重要反应C+CO2→2CO,发展了一套以热重法为基础的反应参数测试方法。实验中利用SiC涂层的方法实现了试件的单面退移,获得高精度热重数据,并结合数值模拟预测的反应体系控制机制,获得文中所用多向编织C/C复合材料,温度范围1 100～1 700 K,其反应级数n=0.5,指前因子A=1 995.08 kg/(m2·s·MPa0.5),活化能E=191.28 kJ/mol。     

固体火箭发动机喉衬流场及热结构耦合分析

为了准确预示固体火箭发动机喉衬在燃气环境中的烧蚀传热及热结构行为,建立了基于FLUENT流体计算软件和ANSYS结构分析软件的流场及热结构耦合分析模型.由FLUENT采用整场离散、整场求解的方法进行流固耦合烧蚀传热模拟,得到的压强及温度分布导入ANSYS进行结构分析,实现了流场与烧蚀传热的双向耦合以及流场、热到结构的单...     

化学液相沉积制备的炭/炭复合材料烧蚀性能研究

通过等离子烧蚀发动机、小型烧蚀发动机点火试验及微观结构观察,研究了由化学液相沉积制备的炭／炭复合材料的烧蚀性能,分析了其烧蚀前后微观结构的变化,并探讨了其作为固体发动机喉衬、扩散段材料的烧蚀机理。结果表明,由化学液相沉积工艺制得的沉积炭结构的抗烧蚀性能优于炭纤维,其作为喉衬的线烧蚀率为0．008mm／s,证明该工艺是可行的。     

喉衬材料抗热震性能缩比考核试验方法

发动机研制中需对喉衬材料抗热震性能进行考核,发展了一种用小型固体发动机模拟全尺寸发动机热载荷对喉衬材料抗热震性能进行考核的缩比试验方法.通过保证推进剂、燃烧室压强、点火升压速率和喉衬型面等参数与全尺寸发动机接近,来保证热载荷的相似,同时适当兼顾喉衬应力的状态.采用该方法较好地再现了某型发动机出现的喉衬组件断裂飞出的故障...     

轴编C/C复合材料喉衬的多尺度烧蚀分析方法

针对轴编C/C复合材料的结构形式和烧蚀机理,建立了喷管喉衬烧蚀的多尺度分析方法。通过宏观-微观的渐进分析,获得了喷管喉衬的烧蚀率和烧蚀形貌。数值模型反映了喷管热反应边界均匀反应、流场参数、燃气传质过程和材料微观烧蚀对喉衬烧蚀性能的影响。数值计算结果和实验数据吻合较好,表明所建立的数值模型可有效预测轴编C/C复合材料喉衬的烧蚀性能。     

C/C喉衬稳态烧蚀的工程计算

根据固体火箭发动机燃烧中氧化性组分扩散控制喷管喉衬烧蚀和Ａｌ２Ｏ３沉积对喉衬的保护，提出Ｃ／Ｃ喉衬稳态烧蚀的工程方法。３个分动机的烧蚀预示结果与实测结果吻合，该计算方法具有较高的精度。     

发动机喷管喉衬烧蚀及热结构工程计算

给出了一种理论模型和基本计算方法。采用有限元法对某固体火箭发动机喉衬结构的烧蚀量、瞬态温度场和应力场进行了理论计算,计算结果与实测值比较一致,喉部直径实测值与计算值相对误差约为2％。     

芳氧基聚磷腈绝热包覆材料的性能表征

针对固体火箭发动机对绝热包覆材料性能要求,制备了芳氧基聚磷腈绝热包覆材料。利用热导率测定仪、动态热机械仪、SEM及国军标规定的测试方法对芳氧基聚磷腈的热导率、线膨胀系数、烧蚀后碳层结构、密度、线烧蚀率及与推进剂的相容性等进行了表征。结果表明,芳氧基聚磷腈的热导率为0.187 W/(m·K)、线膨胀系数为2.31×10-4℃-1、密度为1.196 g/cm3、线烧蚀率为0.109 mm/s,而且烧蚀后成碳率高、碳层坚硬,同时该材料与推进剂具有良好的相容性。芳氧基聚磷腈优异的物理性能及抗烧蚀性能,证明其可作为火箭发动机绝热包覆材料并显示出良好的应用前景。     

固体火箭发动机含径向缺陷喷管数值仿真分析

火箭发动机喷管的工作环境极为恶劣,固体火箭发动机在热试状态下经常会出现因喷管喉衬加工过程中的工艺缺陷导致的开裂失效事故。针对某型固体火箭发动机试车后喷管喉衬断裂现象,基于真实裂纹形貌进行建模,并开展发动机典型工作时刻下的三维两相数值模拟,旨在获得喷管喉衬不同断裂间隙内流场温度、压强、热流密度与速度场分布及对比情况。研究结果表明：喷管喉衬断裂间隙中温度远高于喷管内流场中的温度,间隙较大处压强高于间隙较小处,燃气进入断裂间隙后速度迅速降低,且在间隙中形成多处回流,凝相粒子主要集中在中央流道,没有凝相粒子进入断裂间隙,靠近喷管壁面断裂根部热流密度最高。     

石墨渗铜喉衬的烧蚀特性

介绍了石墨渗铜材料作为固体火箭发动机(SRM)喉衬与．长尾管衬套的烧蚀特性和机理。液态铜在高温高压燃气的作用下仍滞留在石墨基材内，起到抑制烧蚀的效果，改善了KS-8高强石墨的耐烧蚀性能。     

变推力固体火箭发动机喉栓烧蚀试验研究

针对三维C/C和钨渗铜两种不同材质,开展了发动机喉栓的静态烧蚀及动态烧蚀研究,揭示了静态和互变条件下喉栓发动机的烧蚀规律.试验结果表明,高压静态条件与互变过程相比,喉栓烧蚀率有明显差别,高压静态比互变过程烧蚀更严重,互变过程引起的热环境变化没有造成烧蚀异常增大.因此,在工程中可采用高压静态烧蚀试验来考核喉栓材料,简化试验系统;在文中试验条件下,钨渗铜喉栓最大径向烧蚀率为0.085 mm/s,三维编织C/C材料最大径向烧蚀率为0.545 mm/s,钨渗铜比C/C材料更适用于喉栓;发动机非轴对称结构、粒子冲刷和沉积现象对烧蚀影响较大,采用同轴结构可改善流动的对称性,有利于进一步研究其他因素对烧蚀的影响.