固体火箭发动机喷管传热与壁面烧蚀的耦合计算分析

为研究某型固体发动机在地面工作过程中喷管的受热与烧蚀,对其工作后140 s内复合喷管壁面受到管内高温喷流辐射与对流加热,以及发动机外部环境辐射与对流冷却条件下的壁面受热与材料热解烧蚀建立一维非稳态热分析模型进行计算分析。其中,喷管材料采用金属基体内衬高硅氧-酚醛复合隔热材料构成,高温喷流对喷管的辐射加热采用非灰参与性介质的封闭腔辐射换热模型计算,对喷管的对流加热采用巴兹公式计算,复合喷管壁面材料升温后的热解分为基体材料升温-基体材料热解-热解层炭化-Si O2熔融-炭化层脱落五个阶段进行分析。研究发现,喷管收敛段和喉部主要受到高温喷流的辐射加热,内壁辐射热流约为对流热流的2.5倍,喉部下游因喷流温度下降,速度激增,内壁对流热流超过辐射热流,在扩张段尾部,内壁的辐射热流再次超过对流热流;发动机工作过程中,喷管收敛段和喉部壁面的高硅氧-酚醛复合隔热材料随时间逐渐被烧蚀,烧蚀厚度随时间上升,喉部烧蚀厚度最大,140 s时烧蚀厚度达到8 mm,平均烧蚀速率为0.057 mm/s;喷管扩张段中后段喷流温度大幅下降,壁面内高硅氧-酚醛复合隔热材料未烧蚀;沿喷管壁面厚度自内向外,壁面温度急剧下降,发动机工作后16 s时,喉部截面处内壁温度达到2700 K,而外壁温度仅为340 K。     

航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护数值仿真研究

对航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护进行了全过程数值仿真研究.采用修正Lees驻点热流密度方法和参考焓方法计算再入热流密度.采用JANAF模型计算烧蚀率.利用有限元法计算钝锥体再入航天器烧蚀层在移动边界条件下的轴对称温度场.采用碳化层-热解面-原始材料的轴对称碳化烧蚀模型;推导了热解气体流量计算方法.针对再入飞行大热流密度条件下,用有限元方法求解瞬态温度场时会产生的时间和空间上解的振荡问题.通过分析温度振荡现象产生的原因,采用集中热容矩阵向后差分方法解决振荡问题.计算结果表明,在时间步长选择合适的情况下,求解集中热容矩阵能够很好地解决数值振荡问题,同时烧蚀率和温度场计算比较准确.     

基于热解过程的变热物性碳/酚醛能量扩散数值研究

为了研究碳/酚醛材料内部能量传递以及体积烧蚀过程,基于热解动力学模型,提出了碳/酚醛复合材料热物性随温度和时间的变化模型。通过热解过程中材料本身不断发生变化的密度来反推酚醛树脂、炭纤维、树脂碳以及材料孔隙的体积比,以此来推断材料的瞬态物性参数。在该前提下,常用的碳/酚醛三层模型中的分层结构可在程序内部通过对密度的判定来获取,实现了传热烧蚀的耦合计算。研究结果表明,在受热初期,热解层厚度及材料质量损失速率迅速增高;随着时间的推进,能量逐渐向材料内部进入,并在进入过程中同样由于热解吸热、气体逸出以及对外界热辐射在逐渐衰减,使得能量渗透速度减缓;仿真结果与氮气氛围下的激光烧蚀试验结果吻合较好。     

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.     

轴棒法编织C/C复合材料的热物理及烧蚀性能

采用轴棒法编织三维四向炭纤维预制体,经高压沥青浸渍炭化致密化工艺(HIPIC)制得高密度4D C/C复合材料,研究了材料轴向的热物理性能、抗烧蚀性能,并分析了材料的烧蚀机理.结果表明,轴棒法编织C/C复合材料轴向的热扩散率随着温度的升高而降低,比定压热容随温度的升高而增大,热导率随温度的升高缓慢下降,且材料的热物理性能...     

有机纤维/EPDM绝热材料性能研究

通过对腈纶短纤维、芳纶短纤维各自用量对EPDM绝热层材料烧蚀速率、孔隙率影响的研究,并结合氮气环境下热失重曲线和炭层SEM照片分析,发现腈纶短纤维不仅高温残炭率高于芳纶短纤维,而且可在较宽的温度范围内逐步热解炭化,烧蚀过程所产生的热解气体能逐步而快速地释放出炭层,结炭层孔隙率小,致密坚硬,能抵抗高温燃气流的烧蚀和冲蚀作用,材料的烧蚀速率较低;芳纶短纤维虽然具有较高的热稳定性,但热分解温度范围较窄,热解所产生的大量气体很难快速释放出炭层表面,结炭层孔隙率大,炭层疏松且呈层片状,不能抵抗高冲蚀性粒子流的烧蚀和冲蚀,烧蚀速率较高。     

基于烧蚀发动机的EPDM烧蚀性能试验研究

采用有2个流速试验段的烧蚀试验发动机在双基推进剂和含Al 10%复合推进剂燃气环境下对EPDM绝热材料进行烧蚀试验,分析了压强、燃气组分和速度等因素对EPDM绝热材料烧蚀特性和炭化层微观结构的影响规律。研究表明,EPDM绝热材料炭化率和质量烧蚀率随着燃气速度和燃烧室压强的增加而增大;在燃气温度、燃烧室压强和燃气速度接近的条件下,含Al 10%复合推进剂燃气环境下的炭化率是双基推进剂燃气环境下的2倍;EPDM绝热材料炭化层的结构呈现一种致密/疏松的多孔结构,表面存在一层致密层。烧蚀模型中炭化层物理模型可用非均质可渗透多孔介质描述。     

内绝热层中芳纶中空烧蚀形貌的形成机理研究

为揭示柔性内绝热层材料内有机纤维在烧蚀过程中的形貌变化规律和烧蚀机理,分别采用氧乙炔火焰、1000℃高温铁板和热失重加热等不同加热方式,初步探究了不同烧蚀形式下芳纶纤维或腈纶纤维在结炭层内部的形貌演变特征,发现经氧乙炔火焰烧蚀后芳纶增强体系的结炭层内中芳纶炭化纤维呈现中空烧蚀形貌,而腈纶增强体系的结炭层中几乎无纤维状结...     

C/C喉衬烧蚀性能的实验研究

开展不同推进剂和压强对喉衬烧蚀的影响研究,对认识喉衬烧蚀机理和指导设计很有意义.采用小型烧蚀实验发动机,开展了不同压强下无铝双基推进剂和含铝17%的复合推进刺工况下C/C喉衬烧蚀的实验研究,分析了粒子沉积、燃气组分和燃烧室压强等时烧蚀性能的影响.结果表明,随着工作压强的升高,喉衬烧蚀率明显增大,主要机制是热流密度增加和气流剥蚀加剧,粒子沉积减弱;相同压强条件下,含铝复合推进剂工况下C/C喉衬的烧蚀率远小于无铝双基推进剂工况,主要原因是氧化铝沉积严重.对喉村烧蚀起到了一定保护作用.     

三维烧蚀内部热响应数值计算研究

对热解型碳化复合材料三维烧蚀内部热响应数值计算关键技术进行了研究。采用碳化层—热解面—原始材料层模型,将热解气体与碳化层之间的对流换热处理为源项,通过有限元法建立移动边界条件下温度场求解方程组,采用Gauss Seidel迭代法计算热解气体质量流量和温度场。同时,研究和分析了三维烧蚀移动边界处理方法以及动网格生成方法。由于每个时间步都需要网格重划,烧蚀热防护数值计算对存储效率和计算效率要求较高,本文研究了内部热响应计算中影响存储效率和计算效率的主要因素,并提出了相应的压缩存储方案和求解方案。计算结果表明,移动边界处理方法准确合理;存储方案的存储效率较高;保持刚度矩阵和形函数矩阵正定对称性可以加快温度场计算的收敛速度。     

充气展开式新型空间回收技术展望

文章介绍了可充气展开技术的概念及其发展情况 ,对基于此技术回收系统的设计进行了探讨 ,提出了在新型热防护材料基础上 ,将充气展开技术和展开控制等方法相结合 ,应用到回收系统中去的新思路 ,并就未来 10到 2 0年间充气展开技术在回收技术中的应用予以展望。     

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。     

硅橡胶基防热涂层动态烧蚀行为及机理研究

针对两种典型硅橡胶基防热涂层开展高温燃气流烧蚀实验，通过对烧蚀后涂层的宏观及微观形貌分析，探讨了其防隔热机理及烧蚀模型。研究结果表明：烧蚀后两种涂层均存在液态层、陶瓷层、热解层以及原始层；烧蚀过程中甲基苯基硅橡胶涂层主要发生主链“回咬”成环反应，导致树脂基体交联密度降低，力学性能下降，涂层外表面发生开裂，甲基乙烯基硅橡胶涂层则主要发生侧基交联反应，使树脂基体交联密度上升，促进涂层发生陶瓷化转变；热辐射、热容吸热、热解反应吸热以及热阻塞效应为四种主要的热耗散机制，质量损失产生的原因主要包括反应气体释放以及气动剪切力导致的机械剥蚀。     

燃气参数及材料缺陷对绝热层烧蚀率影响的试验研究

提出了固体火箭发动机绝热层烧蚀性能的试验评估方法，建立了在不同燃气参数和绝热层材料有缺陷条件下的烧蚀模型及烧蚀率经验公式，并对绝热层烧蚀率影响程度进行了分析，为绝热层设计提供了依据。     

飞行加速度对固体发动机前封头内绝热层烧蚀的影响

固体火箭发动机前封头内绝热层在飞行加速过程中的烧蚀率是地面静止试验的１．０￣２．３倍。概述了国外在飞行加速对烧蚀影响这方面的研究结果，对国内３台固体火箭发动机内绝热层烧蚀率进行了估计和分析，认为，由于绝热层设计安排裕度比较大，因而这三种发动机飞行条件下的烧蚀仍在安排范围之内。     

界面粘接性能的影响因素

从绝热层，衬层，推进剂，工艺等四个方面讨论了影响绝热层／衬层／推进推进剂量面粘接性能的因素，并提出了改善界面粘接性能的技术途径。     

含相变材料热防护结构一体化设计与试验

利用相变材料储热密度大、比热容高等优势,设计了一种含相变材料的新型一体化热防护结构(PCM-ITPS),并通过数值计算分析了其隔热特性。结果表明,在一体化热防护结构底板处铺设相变材料可吸收热短路效应导入的过量热载,改善结构的隔热性能。然后设计并制备PCM-ITPS试验件,通过隔热性能测试试验对结构隔热特性进行验证。在此基础上进行热应力分析验证其承载性能,并以结构参数为设计变量,隔热和承载性能要求为约束条件,实现了PCM-ITPS结构的轻量化设计,优化后PCM-ITPS方案相对传统ITPS方案减重23.35%。以上工作为促进热防护系统的设计-制造一体化进程提供必要的理论储备与技术支持。     

空间多层打孔隔热材料热分析及性能研究

分析了空间多层打孔隔热材料中导热和辐射的复合传热问题，建立了反射屏的能量方程。结合有限差分法，提出了空间多层打孔隔热材料反射屏温度计算的模型以及内部辐射数值分析模型。分析了层密度、打孔率、反射屏表面黑度和反射屏厚度等主要的多层打孔隔热材料参数对材料隔热性能的影响。该材料性能的研究对提高空间多层打孔隔热材料的隔热效果，实现材料的优化设计具有积极的指导意义。     

某地球静止轨道卫星成像辐射计热控设计

对某地球静止轨道卫星成像辐射计的热控设计进行了研究。根据辐射计热特点,考虑一般温度、温度梯度和日温度变化等热控需求,给出了成像辐射计中光学基板等温化、阳光直射时扫描镜等光学部件散热,以及次镜支持材料选择等关键热控设计原则。用NEVADA、SINDNG软件对冬至、春秋分、夏至,以及阳光与卫星轨道面夹角α=-8.8°,8.8°的5种条件的初期和末期10个工况进行了仿真分析。结果表明：设计的热控方案可行,基本满足成像辐射计的使用要求。     

平流层飞艇热仿真初步探讨

结合平流层的环境条件和平流层飞艇的特点,文章详细分析了影响飞艇热平衡的基本热源和换热途径,建立了平流层飞艇的传热数学模型,给出了飞艇内表面冷热部分相互之间的辐射换热模型,在此基础上,对于某概念飞艇进行了仿真分析,得出了蒙皮热点、蒙皮冷点以及艇内气体的温度,为进一步开展平流层飞艇的热分析奠定基础。