C/C复合材料喷管烧蚀壁面退移流固耦合仿真研究

为了保障固体火箭发动机C/C喷管的可靠性,建立了一套正确反映发动机喷管烧蚀过程的流固耦合计算模型,以实现对喷管烧蚀率的高精度预估。依据热化学烧蚀理论以及喷管内燃气与喷管结构体界面的质量平衡和能量平衡关系,建立并验证了考虑壁面退移的C/C喷管流固耦合方法,实现了燃气流动、异相化学反应、结构体传热三者间的耦合。通过实验发动机喷管的烧蚀计算,论证了模型的正确性,并分析了不同金属铝含量对烧蚀率的影响,计算所得的烧蚀率与实验值最大相对误差为4.3%,与不考虑壁面退移的耦合算法计算结果对比,计算精度最高可提升46%。计算结果表明：C/C喷管在喉部附近烧蚀最为严重;推进剂中Al含量的增加导致燃气中氧化组分浓度降低,进而减少了烧蚀速率,这些结论与C/C喷管烧蚀相关研究结果一致。     

C/C-Cu复合材料的烧蚀形貌和烧蚀机理

以PAN预氧化纤维整体毡为增强体,经碳化、等温CVI致密化后制备多孔的C/C复合材料预制体,利用气体压力浸渗法将Cu引入C/C预制体中制备C/C-Cu复合材料。采用氢氧(H2-O2)焰考核C/C-Cu复合材料的烧蚀性能,经扫描电镜和电子能谱对不同烧蚀区域的微观结构和成分进行分析,结果表明:预制体密度为0.96 g/cm3的C/C-Cu复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为4.75μm/s、0.223 mg/s,烧蚀性能优良;其烧蚀表面具有不同的宏观形貌,在烧蚀中心区产生了明显的凹坑,主要烧蚀机制为C/C预制体的氧化和铜基体的机械冲刷;烧蚀过渡区聚集了大量的铜基体,其烧蚀机制为Cu的热氧化和机械冲刷;烧蚀边缘区材料表面变黑,主要因为C/C的氧化。为了提高C/C-Cu的烧蚀性能,需要发挥C/C预制体的"钉扎"作用,阻止Cu在高温下被气流冲刷而发生流动。     

固体火箭冲压发动机补燃室硅基绝热层烧蚀模型

为了评估固冲发动机硅基绝热层的烧蚀性能,对硅基绝热层的烧蚀形成机制进行了分析并建立了数值模型。硅基绝热层烧蚀由气动冲蚀,化学烧蚀,颗粒剥蚀三个部分构成。数值结果表明,硅基绝热层失效的主要原因是气动冲蚀,化学烧蚀与颗粒剥蚀影响较小。理论计算同试验获得的烧蚀形态基本吻合,冲压发动机严重烧蚀部位在进气道两侧的下游区域。从结构设计上看,冲压发动机防隔热设计的重点应是降低冲压发动机气流冲蚀影响。     

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。     

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。     

激波和边界层相互作用区域局部烧蚀的理论计算方法

激波和边界层相互作用区域的局部烧蚀计算是极为复杂的非定常湍流分离流动条件下的烧蚀分析问题，本文将这一复杂的物理化学和气体动力学过程简化为二维前向台阶分离区的准定常烧蚀问题来处理，将偏微分的控制方程组简化为超越代数方程组，提供了一个有一定精度的理论分析方法，理论计算结果与实验数据相当吻合。     

SCAT弹头热防护的简化计算方法

本文对自适应发汗冷却（ＳＣＡＴ）弹头的热防护问题作了简化分析，并导得了热防护计算的简化计算公式。对铊，铟，锡和水四种冷却剂的情况，给出了算例。本文导行的公式，计算较简便，可作为弹头热防护设计的一种工程计算方法。这种工程计算方法亦可以用于地模拟实验前的予算。     

Microstructure,thermophysical property and ablation behavior of high thermal conductivity carbon/carbon composites after heat-treatment

Uni-directional carbon/carbon composites with high thermal conductivity are suitable to supply continuous thermal protection for future reentry vehicles since they could reduce surface temperature and ablation rates simultaneously in harsh environments. In this work, the high thermal conductivity carbon/carbon composites were prepared by chemical vapor infiltration. After heat-treatment, both their open porosity and internal friction increase due to the fiber/matrix thermal expansion mismatch; while their thermal conductive performance become better due to more complete carbon structure. With raising heat-treatment temperature from 1800 °C to 2450 °C, the mass and linear ablation rates of C/C composites with fibers vertical to the oxyacetylene torch for 60 s decrease from 0.66 mg/s and 2.95 μm/s to 0.51 mg/s and 2.05 μm/s respectively. The improved ablation resistance is resulted from the increased thermal conductivity from 282 to 508 W/(m·K) and more carbon fibers exposed to the flame during ablation, which have better oxidation resistance than those of carbon matrix. While such ablation rates become larger for composites with fibers parallel to the flame, from 1.02 mg/s and 3.73 μm/s to 1.28 mg/s and 5.01 μm/s respectively since the ablation occurred more easily through gaps at the fiber/matrix interfaces, which become larger and are always exposed to the flame for this case.     

在烧蚀条件下固体火箭发动机复合喷管的温度预示

本文探讨了由石墨和高硅氧-酚醛组成的固体火箭发动机复合喷管,在考虑热解炭化和烧蚀引起喷管内型面变化条件下的瞬态轴对称二维温度场.借用当量热容的概念和坐标变换的方法,应用单元体能量平衡原理,在内点用显式格式,边界结点用隐式格式进行数值求解,这样的计算比较简捷,所得温度场与实验结果作了比较,说明本文的预示方法是可以符合工程精度要求的.     

ZrB2/C复合材料抗烧蚀性能及微观结构的研究

采用热压法制备ZrB2／C复合材料，利用氧乙炔火焰烧蚀法测试材料的质量烧蚀率和线烧蚀率，采用扫描电镜和X射线衍射分析材料的微观结构及物相变化。研究结果表明：和相同工艺制备的纯石墨材料相比，ZrB2的引入降低了炭材料的质量和线烧蚀率，ZrB2的加入量越大，烧蚀率降低幅度越大，ZrB2引入明显提高了炭材料的抗烧蚀性能；通过微观结构分析，探讨了ZrB2形态和含量对复合材料抗烧蚀性能影响的机理，研究结果展示了此材料作为高温烧蚀材料的良好应用前景。