喷管内衬碳／酚醛的烧蚀模型

本文根据气动热化学烧蚀机理建立了固体火箭喷管内衬碳/酚醛的炭化烧蚀模型,并进行了扩张段的烧蚀率和温度分布预示计算.碳/酚醛受热时形成炭化层、热解层和基体层,主流和热解气体中具有氧化性的组分在表面与碳发生异相反应,材料的消耗带走了大量的热,有效地保护了基体.采用化学动力学控制的三方程模型、建立了化学反应质量计算方程;采用多层复合结构的瞬态导热方程和坐标变换的方法处理烧蚀移动边界,温度场计算方程;由壁面上的能量守恒关系,取得了烧蚀和温度场的耦合.通过计算,获得了烧蚀率、壁温随时间和沿喷管扩张段长度的变化,以及喷管扩张段材料内部的温度分布.导热方程用隐式格式求解,大大节省了计算机时.     

热物理性能对高硅氧/酚醛复合材料烧蚀性能的影响

根据高硅氧/酚醛复合材料的烧蚀机理,建立了包括烧蚀退移层、化学反应边界层、液态层、炭化层、热解层、原始材料层的自外向内的物理模型,针对平板烧蚀问题,预报了热导率、比定压热容、驻点焓值等热物理性能对高硅氧/酚醛复合材料的表面烧蚀后退率、壁面温度、气化烧蚀速率、热阻塞效应因子、气化分数等烧蚀性能的影响.结果表明,低热导率能使表面烧蚀后退率明显降低,但却使壁面温度、热阻塞效应因子及材料的气化分数升高;而高的比定压热容则能大大降低表面烧蚀后退率和壁面温度;随驻点焓值的增加,表面烧蚀后退率和壁面温度都增大.     

二级火箭喷流对底部热环境影响的数值模拟

为研究二级火箭工作时对底部热环境的影响,在不同喷管固壁热辐射和飞行高度条件下,用Fluent软件自发动机喷管喉部处计算喷流流场和底部区域内给定平面的对流热流密度,并建立了三维反向蒙特卡罗（RMC）法模型,同时根据HITRAN数据库计算气体红外辐射特性,获得喷流对给定平面的辐射热流密度,两者相加即为喷流到达研究平面的总热流密度。结果表明：热辐射和热对流在底部产生的热效应趋势不同。     

高硅氧/酚醛复合材料热变形实验测试及表面烧蚀形貌分析

通过非接触式高温变形测量系统,对高硅氧/酚醛防/隔热复合材料在单侧热流载荷作用下的温度和全场高温变形进行了精确测量,并对试样体积烧蚀后的表面微观形貌进行分析。实验结果表明,利用陶瓷板在1 000℃左右对高硅氧/酚醛复合材料试件辐射加热200 s后,通过测量发现距离加热面12.62 mm处热电偶温度峰值为259℃,从而说明高硅氧/酚醛复合材料具有优良的防/隔热性能。通过DIC方法测得试样加热200 s后沿加热方向的最大位移为0.18 mm,且沿着试样加热方向位移呈现出逐渐递减的规律。通过对材料烧蚀后表面形貌微观观测和分析,发现在试样加热面上出现了凹凸不平的烧蚀坑,并出现了一层很薄的高硅氧纤维高温熔融后的硅氧化合物颗粒结晶状物质。     

印度研制的碳酚醛模压喷管喉部入口段烧蚀层

碳酚醛复合材料由于高的耐烧蚀性,已广泛地用作能承受严酷加热环境的火箭喷管烧蚀层。烧蚀层可用布带缠绕或玫瑰花瓣模压制成,从而获得按要求取向的叠层受气流作用。固体火箭发动机潜入型喷管喉部入口段由于燃烧产物的环流作用,不得不经受严酷的加热环境和粒子冲刷,这要求具有各向异性的烧蚀层材料能均匀烧蚀,预防改变气流路线。目前使用的材料有碳/碳或碳酚醛,尽管3D碳/碳具有所要求的各向异性和耐烧蚀性,但需专用工艺设备,并且价格昂贵。印度已将可变叠层取向的两层或多层碳酚醛烧蚀层用于大型喷管。     

陶瓷/陶瓷类绝热层新喷管的设想

本文评述了固体发动机喷管的设計。碳/碳材料引起的第一个突破是:使沿喷管内型面与燃气接触的耐烧蚀层具备了结构承载能力,使喷管成为承热结构,只是与燃烧室连接的部件需要绝热。很遗憾,如今用碳酚醛或硅酚醛材料制成的绝热层,因低溫下易炭化并逸出气体,所以它们的机械性能既低劣又不可預测。因此,喷管与燃烧室绝热连接处通常采用复杂的设計,它包括绝热的和金属的结构零件。目前出现一些新的、具有热稳定基体的绝热复合材料,由于这些材料在很大温度范围内具有结构承载能力,这将是喷管设計的第二个突破。本文评述了用陶瓷或碳纤维与基体制成的新的不炭化绝热材料,介绍了用这些材料设計新喷管的几个例子。它的优点是:设計新颖、简单,装配时间少,成本低以及分析預测性较好。     

喷管喉部热流密度测量实验研究

为剥离热化学烧蚀对喷管喉部热流密度测量的影响,将HT50-20热流计安装在喷管喉部,使之直接接触燃气,测量不同燃气温度条件下喷管喉部的热流密度,并获得了来流燃气的参数,在此基础上,对喷管喉部热流密度进行了数值模拟计算。实验结果表明,当喉部燃气温度分别为611、551、457 K时,热流密度分别为0.496、0.471、0.317 MW/m2,实验数据可为相关数值模拟提供实验验证。     

C/C材料-高硅氧布/酚醛树脂复合缠绕制品工艺研究

随着固体发动机推进剂性能的提高,对发动机喷管绝热扩散段抗冲刷性能的要求也不断提高。通过对C/C-高硅氧布/酚醛复合材料制品缠绕成型的工艺研究,即在C/C材料外型面补缠高硅氧布/酚醛材料,了解不同材料的复合成型方法,选择一种适合绝热扩散段的工艺方法,提高材料的烧蚀性能和抗冲刷性能。     

火箭垂直回收中发动机布局与喷流壁面效应影响研究

针对重复使用火箭垂直着陆过程的喷流流场问题开展研究,利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法研究了壁面效应和发动机布局对超声速喷流的影响。研究表明,着陆距离(L)在2.24D～11.2D(D为喷管出口的直径)的范围内,地面效应对喷管出口中心处的温度分布影响较小;在当前计算条件下,当L<2.24D时,超声速喷流撞击地面会形成强烈的激波,随着离地高度的降低,该激波位置往喉部方向移动,由于壁面效应,喷管内部形成斜激波,导致中心喷管壁面处的温度升高;中心喷管相对外侧喷管往外突出增大了壁面流动速度,导致外侧喷管出口的温度降低;研究还表明子级火箭底部端面的喷管数量增加后,会导致喷管的温度升高。研究结果将为火箭发射及回收方案选取提供参考。     

超音速分离线喷管大摆角状态下化学烧蚀动态仿真

针对超音速分离线喷管大摆角状态下化学烧蚀导致的壁面退移,基于动网格技术建立了相应的动态仿真模型,实现了对不同燃烧室条件下喷管化学烧蚀率的预示。初步稳态计算得到喉部烧蚀率为0.048 6 mm/s,高出试验结果5.67%,验证了仿真设置的合理性。以此状态结果为瞬态计算的初场,进行相应的化学烧蚀动态仿真计算。该喷管的矢量角放大系数在0.5 s仿真时间内因壁面退移减小了0.42%,对称面下侧分离线结构附近因燃气流动受阻成为喷管烧蚀最严重的位置,烧蚀率为0.074 5 mm/s。增大燃烧室压强或温度,会导致同周向位置的分离线后侧与前侧壁面烧蚀率比值减小。对于分离线附近型面变化较小处,压强5.5 MPa增加到7.5 MPa,该比值减小了10%,温度3200 K增加到3600 K减小了15%。