H—I末级固体发动机采用的新材料

日本的H-I是一种发射550kg级卫星的三级运载火箭,它对末级发动机(包括第三级发动机和远地点发动机)的性能及可靠性要求相当严格。为了提高发动机的性能和减轻质量,在研制过程中,发动机壳体、喷管喉衬及绝热层等部件都采用了最新材料。1.2维C/C材料2维C/C材料与过去使用的碳纤维增强材料(CFRP)相比,具有耐热、高温下拉伸强度高等特点。     

固体火箭发动机绝热层炭化厚度的估算方法

固体火箭发动机燃烧温度很高,故在发动机壳体和推进剂药柱之间应用绝热层隔离。大多数固体火箭发动机的绝热材料采用能隔热、防烧蚀、并充有填料的橡胶。填料的作用在于使炭化层粘附在衬垫上,以使未炭化、未烧蚀的剩余绝热材料不受高温气体的冲击。表1是固体火箭发动机绝热层最常用的橡胶(粘合剂)和填料。     

嵌金属丝端燃装药方案绝热层设计方法

根据固体火箭发动机绝热防护模型,提出了一种嵌金属丝端燃装药绝热层设计方法。用该法对某特定发动机燃烧室绝热层的设计结果表明:与动机原绝热层烧蚀相比,用本方法设计的绝热层可在绝热防护达到安全要求的同时,最大化地降低发动机消极质量。     

固体火箭冲压发动机补燃室掺混段硅基绝热层冲蚀分析

硅基绝热层在补燃室高温环境中形成的熔融层受到高速气流的剪切作用,逐渐脱离炭化层,形成冲蚀现象。通过建立冲压发动机绝热层气动吹除过程的数学模型,对发动机绝热层的冲蚀过程进行了数值模拟。结果表明,冲蚀强度同当地气流温度及流速紧密相关;在进气道下游,两进气道之间绝热层受到的冲蚀作用最强;补燃室头部温度较高,但是由于气流流速较低,受气流冲蚀影响较小。对比表明,气流温度与速度共同决定的热流密度控制熔融层的形成速度,对于稳定发展的发动机流场,冲蚀作用主要受绝热层气流速度控制。     

固体火箭发动机后效推力计算

为提高导弹的精度,对固体火箭发动机后效推力进行了理论分析和计算。首先用一维两层模型计算绝热层内部温度场,建立了绝热层表面能量和质量守恒方程,得到后效段绝热层各时刻的热解气体质量和烧蚀质量,再采用经典流体力学理论对后效段发动机内弹道进行了一维计算,而后计算发动机的后效推力。计算结果表明,发动机工作结束后的后效推力迅速减小。     

硫化剂种类对EPDM绝热层性能的影响研究

发动机壳体共固化过程是实现绝热层性能的关键工艺过程.为了优化三元乙丙橡胶(EPDM)绝热层配方性能,科学制定复合材料发动机壳体的共固化工艺制度,提高壳体绝热层成型质量,研究了常用硫化剂种类对EPDM绝热层硫化特性、力学性能、耐热性能和热失重率的影响.结果表明,EPDM/过氧化物体系的起始硫化反应温度较高,硫化速率快,E...     

固体火箭发动机内绝热层烧蚀分析

提出了一种固体发动机内绝热层的化学烧蚀模型。模型考虑了发生在绝热层烧蚀表面的五种化学反应。绝热展在烧蚀过程中按材料物性变化情况分为碳化层、原始材料层,中间假设为一热解面。在内绝热层烧蚀模型中建立了内绝热层表面烧蚀过程的能量和质量的平衡关系,并运用动边界热传导差分求解出绝热层内部的温度场。用该模型对一种固体发动机内绝热层的烧蚀进行了计算,其结果与发动机试验解剖测量值基本相符。     

固体火箭发动机内绝热层烧蚀质量损失计算

运用较完备的烧蚀模型，采用了动边界显式差分格式，对固体火箭发动机内绝热层的烧蚀及其温度场进行了耦合计算。计算得到烧蚀率、炭化率、烧蚀厚度和炭化厚度，以及根据绝热层的工作时间计算出内绝热层的质量损失及发动机工作完成后一段时间内后效炭化质量损失。采用该方法不仅能使内绝热层设计更为合理，而且为后效推力的研究打下了基础。     

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。     

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。     

重新设计的航天飞机固体发动机现场接头的设计和热验证

重新设计的航天飞机固体发动机现场接头的内部绝热层是发动机钢壳体和O型密封环的热防护部件.为了防止燃烧室高温燃气到达接头内部,采用了一种无通孔绝热层设计方案.对假想的缺陷和由这些缺陷造成的沿接头粘合面以及O型密封环发展的泄漏通道进行了分析,以验证接头在这些不希望出现的条件下能否完满地起到密封作用.同时还进行了接头中有预设缺陷的发动机的静态试车,验证这种设计对缺陷和由此产生的泄漏通道的不敏感性.试验与分析的结果表明,该设计满足所有的性能和安全要求.     

喷管粘结

固体火箭发动机的喷管一般是由金属壳体与抗烧蚀的绝热层组成。其组合方法目前多用粘结法。在某型号发动机的研制过程中发现,加压方式对粘结质量有很大的影响,尤其是扩散段绝热层在采用锥体形固化夹具夹持并粘结后,当分解夹具时往往能听到撕裂声,但难于判断脱粘面的位置和大小。经分析,脱粘是由于扩散段绝热层在夹持、粘结中与锥体形夹具内胎及喷管壳体扩散段之间相互作用而产生径向胀形所致。根据这个分析,取消内锥面加压改为由端面加压的方式。实践证明:采用此项工艺技术措施后,可确保粘结组件的质量。     

一种带锥的内绝热层成型工艺改进

某固体火箭发动机燃烧室为锥筒室，内绝热层很薄，包括复合绝热层和橡胶绝热层两层，由于燃烧室几何形状特殊，无法采用现有的内绝热层成型工艺技术，在分析基础上，得出了该内绝热层压制精密控制方法，利用定位和壳体保护装置，将配制的未硫化粘稠态橡胶通过压涂覆在壳体内壁，精确控制内绝热层的厚度和均匀性，该发动机热试车成功表明，这种内绝热层成工艺技术是有效可行的。     

固体发动机绝热层设计及试验分析

本文建立了一种固体发动机绝热层烧蚀模型,给出了4台发动机试车后绝热层的剖析和计算结果,分析比较后认为这种烧蚀模型比较符合实际,最后介绍了利用这种模型设计发动机燃烧室各部位绝热层厚度的方法。     

四院召开界面学术研讨会

航空航天部四院于1992年9月2日在西安召开固体发动机界面学术研讨会,会议由院科技委组织,为时二天。与会同志就界面理论、工艺研究、质量控制以及界面测量技术进行了交流和讨论,共发表学术论文14篇。复合材料固体火箭发动机有多种界面,包括增强纤维/基体界面(相),推进剂/衬层/绝热层/壳体各粘接界面,人工脱粘层粘结面,密封材料与部件接触面等等。界面质量不仅是材料和机械制造的一般问题,更是困扰宇航和导弹发动机研制生产厂家的重要问题。八十年代以来,在造成发射及试验失败的诸多原因之中,界面失效占了相当大的比例。因此抓住界面研究和工艺改进,正是抓住了固体发动机向高质量、高可靠性发展的一个关键。     

绝热层厚度对自由装填固体火箭发动机烤燃特性的影响

为研究绝热层厚度对自由装填固体火箭发动机烤燃响应特性的影响,针对某固体发动机建立了二维快速烤燃和慢速烤燃数值计算模型,分别对绝热层厚度为0、0.5、1、1.5、2.0、2.5、3.0 mm的发动机进行建模和仿真计算。研究结果表明,固体发动机在快烤条件下,推进剂温度达到520 K后,温升速率快速增长,自加速放热反应加剧,快烤着火温度为600 K左右;不同绝热层厚度发动机的着火位置无差别,均出现在后盖内推进剂端面边缘处;不同绝热层厚度的发动机的着火延迟时间有差别,随着绝热层厚度的增加而增加,最短为71 s,最长为103.36 s;慢烤条件下,推进剂着火温度为550 K左右,着火延迟期约为25.15 h,着火位置出现在一级装药内部,且随着绝热层厚度的增加,着火点逐渐向一级装药端面偏移。     

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。     

富氧环境下燃烧室内绝热层的研究

介绍了富氧环境下固体火箭发动机对绝热层性能的要求,以及在该特殊条件下对绝热层所开展的研究工作。试车结果表明,PFDH-2绝热层可以对富氧环境下工作的发动机燃烧室实施有效热防护。     

固体发动机飞行横向过载下绝热层烧蚀探究

某系列发动机参加历次典型横向短时大过载和长时间中小过载工况飞行试验后,对其绝热层解剖数据进行了汇总分析,总结出了发动机在各种飞行过载工况下的绝热层烧蚀规律。结果表明,绝热层在横向过载的反方向一侧存在一条明显的烧蚀槽,该处的烧蚀率显著大于周向其他位置的烧蚀率;绝热层最大烧蚀率与横向过载之间存在较强的线性关系;筒段绝热层最大烧蚀点位置出现在施加横向过载时绝热层开始暴露的位置附近。     

固体火箭发动机绝热层粒子侵蚀特性数值模拟研究

针对固体火箭发动机高浓度颗粒流冲刷下的粒子侵蚀绝热层问题，运用Standard k-ε湍流模型和颗粒轨道模型对某型地面模拟过载试验发动机进行三维两相流数值模拟，分析两相流场特性，基于Oka粒子侵蚀模型计算某型EPDM绝热层的粒子侵蚀率，并与7次地面模拟过载试验发动机粒子侵蚀试验结果进行对比。数值结果表明，该粒子侵蚀模型可靠且精度有保证，能够正确预示绝热层粒子侵蚀特性；计算与试验所得的侵蚀率分布范围基本相同，计算所得最大侵蚀率偏大，最小相对误差4.69%,平均相对误差约13.89%;但侵蚀分布特征与试验结果不完全一致，分析认为粒径分布数据与真实值的偏差是侵蚀分布特征存在差异的主要原因。研究结果可用于工程中EPDM绝热层高浓度颗粒冲刷下的粒子侵蚀分析，能够为固体火箭发动机绝热层设计及热防护可靠性研究提供参考。