C-C扩张段材料性能设计

在相同的喷管结构中,通过正交试验和喷管结构有限元热应力分析,获得径向弹性模量、母线方向(环向)弹性模量、径向热导率、母线方向(环向)热导率、径向热膨胀系数、母线方向(环向)热膨胀系数、密度和比定压热容等八因素三水平情况下的母线方向拉应力极值、环向压应力极值和层间剪切应力极值。通过极差分析,初步获得优化的材料参数设计方案,然后对试验结果进行方差分析,得出母线方向弹性模量、径向热导率和母线方向热膨胀系数这3个因素是非常显著的;结合喷管扩张段C/C复合材料的应用环境和工艺条件,得出最终的材料优化设计方案,并进行有限元热应力分析,发现应力极值都远小于现有针刺C/C复合材料的许用应力。     

钨渗铜喉衬复合结构喷管热-结构耦合分析

为研究某复合结构喷管的传热特性,并计算喷管工作过程中喉衬受到的热应力,针对某型发动机钨渗铜喉衬复合结构喷管,建立了喷管内流场与结构耦合的三维计算模型,采用计算流体动力学软件Fluent对复合结构喷管的稳态流场和传热过程行了数值仿真,得到了喷管的流动参数和固体域温度场计算结果。采用单向流固耦合计算方法,分析了钨渗铜喉衬在不同时刻下的热应力。分析结果表明,喷管固体域温度随时间推进逐渐升高,隔热层最高温度出现在入口等直段,达到约2800 K,喉衬最高温度出现在喉部,达到约2100 K,温度变化率在固体域材料交界面处出现明显间断;喉衬的热应力随温度升高而增大,背壁出现两个明显的压力峰值,大小约为135 MPa和90 MPa;最大应力出现在喷管内壁面喉部附近,大小约为155 MPa。     

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。     

复合喷管结构温度场流固耦合仿真分析

为了评估复合喷管热防护性能以及获取喷管烧蚀和结构应力分析的工况条件,运用Fluent流体动力学软件,对复合喷管的结构温度场进行了数值仿真。分析中,采用了两方程RNG k?ω湍流模型和增强型壁面函数,利用流固耦合的计算方法,获得了喷管结构瞬态温度场的计算结果,重点分析了结构温度场最终分布状态和初期传播特点,以及喉衬温度随时间的变化规律,估算了喉衬的烧蚀。分析结果表明,喷管结构热防护性能满足要求,温度最高区域位于喷管收敛段中后部,喉衬线烧蚀量约为2．1 mm,为喷管结构进一步优化设计提供了重要参考依据。     

NOVOLTEX 三维碳-碳整体式喉衬和出口锥试验

法国欧洲动力公司研制出一种商标为 NOVOLTEX 的性能优异的新型三维增强碳-碳材料,这种材料的超细编织结构可以制成很薄的喷管出口锥,同时它也象常规三维碳-碳材料一样,适合制作喉衬等部件。它的优异性能,可使其设计制成的入口段、喉衬、出口锥组合成一个整体式喉衬和出口锥(ITEC).本文报导了美国空军宇航实验室对 NOVOLTEX 作为 ITEC 的评定结果。     

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。     

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。     

Temperature and stress field analysis of conical trapped joint C/C nozzle divergent section

通过计算喷管的温度场和应力场,描述了扩张段在发动机工作过程中温度和应力的变化规律.首先,将燃气流简化为一维等熵流,以确定喷管内的温度和压强分布.基于轴对称有限元模型,计算了扩张段瞬时温度场.然后,将温度场结果导入到结构热应力分析中,分别计算了扩张段的粘接界面接触合力、轴向拉应力和压应力、层间剪切应力随时间变化规律.最后,与螺纹连接的C/C喷管进行对比,得出在目前材料体系下,锥形套式连接的C/C喷管设计是一种较优化的结构设计.     

锥形套式连接C/C喷管扩张段温度场与应力场分析

通过计算喷管的温度场和应力场,描述了扩张段在发动机工作过程中温度和应力的变化规律。首先,将燃气流简化为一维等熵流,以确定喷管内的温度和压强分布。基于轴对称有限元模型,计算了扩张段瞬时温度场。然后,将温度场结果导入到结构热应力分析中,分别计算了扩张段的粘接界面接触合力、轴向拉应力和压应力、层间剪切应力随时间变化规律。最后,与螺纹连接的C/C喷管进行对比,得出在目前材料体系下,锥形套式连接的C/C喷管设计是一种较优化的结构设计。     

基于试验数据对比评估的橡胶堵盖加速寿命研究

为科学获取某型喷管橡胶堵盖的库房贮存薄弱环节和寿命,根据其装配和使用时所受敏感应力为本体的拉伸应力和剪切应力,以及堵盖与喉衬之间的剪切应力的特点,分别设计橡胶堵盖本体材料的哑铃型试样、橡胶-胶粘剂剪切试样、以及硬质泡沫塑料-胶粘剂-结构缠绕制品开展加速寿命试验与评估方法对比研究。研究结果表明,传统的老化动力学模型不能适用于所有材料的评估,对于不同试验件的力学性能测试数据应采取不同的模型进行退化分析;橡胶堵盖随发动机在弹上长期贮存时,本体所受的剪切应力是其失效的主要模式;与喉衬粘接界面相比,橡胶堵盖本体更容易失效。开展验证试验,将橡胶堵盖真实产品等效加速至薄弱环节的寿命评估年限,并进行打开压强试验,从而验证了评估模型和评估方法的有效性。     

我国自主研制的最大分段式发动机试车成功

?3.2 m三分段大型固体火箭发动机是由航天四院自主研制的迄今我国直径最大、装药量最大、工作时间最长的固体分段式助推发动机.由分段式燃烧室、固定喷管、点火装置等组成,主要用于集成验证3. 2 m直径多分段发动机点火-流动匹配性、分段燃烧室密封结构、大尺寸C/C喉衬及喷管扩张段分段连接结构等在发动机长时间工作过程中的可靠...     

固体火箭发动机喷管扩张段型面参数对其性能影响仿真分析

固体火箭发动机喷管扩张段型面直接影响喷管内燃气膨胀和壁面压力分布,优化扩张段型面参数是提高喷管效率的有效途径。采用欧拉-拉格朗日数值方法仿真分析了椭圆-三次曲线型喷管在扩张段不同出口半角、初始扩张半角、长径比和扩张比等型面参数下的两相湍流特性及推力性能,数值模拟与基准型面喷管试验结果对比良好。不同型面参数喷管计算结果对比显示,出口半角对喷管推力影响较小,而初始扩张半角对其影响相对明显。流场特性分析表明,扩张段不发生内激波相交时,因避免燃气二次压缩而有利于提升喷管推力。与基准型面喷管相比,适当增大初始扩张半角和减小出口半角,能够改善扩张段内激波结构,提高喷管性能。此外,固定扩张比,长径比小于1.2时,随长径比增大,喷管出口轴向速度积分增长较快,推力收益增速明显。固定长径比,扩张比增大能提高喷管推力系数,但两相流损失随之增加,导致喷管效率降低,综合来讲喷管推力呈上升趋势。     

花瓣铺层C/C喷管扩张段外缠绝热层工艺固化过程应力-应变分析

用有限元法对花瓣铺层C／C喷管扩张段外缠绝热层工艺固化过程的应力－应变进行了分析；并分析了C／C材料的层间缺陷对热应力的影响。通过分析可知，由于花瓣铺层C／C材料与绝热层材料线膨胀系数不一致，导致它们在固化过程后产生热应力；而C／C扩张段中少数缺陷的存在，使得缺陷附近的层间剪切应力大幅增加，从而可能导致其结构的完整性被破坏。文中的分析可为花瓣铺层C／C扩张段的设计和工艺提供参数。     

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...     

随机有限元法及喷管扩张段结构可靠性分析

推导了考虑材料性能及载荷随机扰动的有限元基本公式，通过随机有限地分析，可得到结构位移和应力的均值与方差，为结构可靠性提供了数据。采用随机有限元法对固体火箭发动机喷管扩张段进行了结构可行性分析，算例表明，该方法简单、实用。     

固体火箭发动机喷管扩张段壳体结构优化设计

针对某型号发动机喷管扩张段壳体结构,建立了高精度三维扩张段热结构FEM模型,计算了喷管工作时扩张段壳体结构在承受高温、高压以及作动器外载的联合作用下,结构的应变及位移分布规律,并与全尺寸发动机喷管热联试的试验结果作对比。结果表明:热结构仿真计算与试验结果吻合较好,其中关键承载部位应变最大误差小于15%,验证了热结构仿真模型准确性及精度,可以用于工程上扩张段壳体热结构强度校核。在此基础上,以环/母向筋条数量为设计变量,采用First-order优化方法对喷管扩张段壳体结构进行减重优化设计,在满足强度和刚度要求的前提下实现了目标结构约30. 8%的有效减重。以上计算结果对于固体火箭发动机喷管扩张段壳体结构设计优化,准确预估结构安全裕度有着一定的参考价值。     

环簇式塞式喷管在固体火箭发动机上应用探讨

对可应用于固体火箭发动机上的3种塞式喷管的结构特点进行了比较,重点讨论环簇式塞式喷管结构性能。基于目前的设计方法,确定了环簇式塞式喷管与钟形喷管的性能比较方法,进行了尺寸及重量分析,并给出了其在战略导弹第一级发动机和高空发动机的应用算例。结果表明,内喷管喉径是影响环簇式塞式喷管尺寸大小的最主要设计参数;在单元数足够多时,环簇式塞式喷管可比相同面积比的钟形喷管的尺寸更小,重量更轻,推力效率更高;明确了环簇式塞式喷管实际应用所需解决的关键问题。     

多向Sepcard碳—碳复合材料的力学分析进展

等温有限元模型业已取得良好进展,它首次用于4向(4D)碳—碳材料的热结构分析,并推广用于其它多向(nD)复合材料。从本质上讲,复合材料各向异性和非弹性性质的预估,要由各向同性的弹塑性材料(基体加界面)和弹性正交材料(均匀化杆组成的网络)叠加求得。加上模型的热塑性能使之能更好地描述热试车过程中 nD 整体喉衬入口段(ITE)的真实状态,尤其是,用经典弹性和轴对称热结构分析,可能大大低估了应力。另一方面表明,由4D 碳—碳复合材料试验研究得到的复合结构的基本性质可用于由同样成分制作的其它nD 织物结构。这样,无需用复合材料的具体特性,就可以预估出一个6D 碳—碳环的性质。     

一种新型可调喉径喷管的结构设计与分析

针对单室双推和双脉冲固体火箭发动机,提出了一种可调喉径的喷管喉衬设计方案,即在喉衬本体结构中设置运动部件,部件的结构尺寸和移动距离与初始喉径和终点喉径相适应,同时对该结构的润滑和密封展开了研究。基于AN-SYS仿真软件,对该结构的主要部件在高速燃气冲击下的强度进行了模拟。分析结果表明,该设计方案可行,可为固体火箭发动机的研发提供参考。     

氢氧发动机中激波与爆轰波热力参数计算分析

大扩张比氢氧发动机在地面试车时喷管中可能会出现激波,而在起动时刻燃烧室或燃气发生器中则很容易产生爆轰波,其对发动机的结构与工作状态会产生较大的影响。为准确地分析激波与爆轰波对氢氧发动机的影响,从热力参数层面进行计算分析,所有的计算都考虑热化学反应的影响。首先,在传统一维管流模型基础上引入化学平衡模型来计算和分析推进剂混合比和燃烧室压力对喷管扩张段中激波位置及热力参数影响的一般规律;然后,采用基于热化学平衡模型的C-J爆轰理论,计算和分析推进剂混合比、初温及初压对爆轰波的影响规律。计算分析表明:喷管扩张段中的激波位置与燃烧室压力呈线性关系,激波处的温度比相对于不考虑热化学反应时要低28%~38%,而压力比无明显区别,压力比与温度比在化学当量混合比时最小;爆轰波强度随着初压的升高、初温的降低而增强,在化学当量混合比时最强,初温30 K,初压1 MPa时爆轰压力最高可达220 MPa,温度可达4 500 K,波速超过3 000 m/s。得到的这两种波的规律和特点可以为发动机工程设计人员提供一定的参考。