固体发动机绝热材料烧蚀研究进展

为了总结固体发动机绝热材料烧蚀方面的研究成果,梳理未来的发展方向,本文对国内外相关研究进展进行了综述。首先概述了绝热材料烧蚀的基本概念与研究意义,然后从烧蚀试验方法与装置、绝热材料烧蚀特性与机理、烧蚀模型等三个方面,对国内外有代表性和创新性的研究进行了介绍和评价。分析表明,目前烧蚀研究呈现从宏观走向细、微观的趋势,对烧蚀各子过程的研究更加深入细致,更加强调烧蚀过程中流动、传热传质和化学反应等多物理过程的耦合。未来随着高能推进剂的研发与应用、纳米材料的发展以及对精细化模型需求的不断增加,绝热材料烧蚀研究将面临一些新的挑战,也将迎来新的发展机遇。     

航天热防护材料的烧蚀特性研究

介绍了运用 CO_2激光加热装置,对聚四氟乙烯(Teflon)和热防护烧蚀材料 AT2的烧蚀特性研究.研究发现聚四氟乙烯的烧蚀率随热流的上升而增加;随氮气压强和流量的上升而下降;烧蚀过程产生的凝胶区和激光支持气相火焰区,与热流、环境气体种类及压强有关,凝胶区厚度随热流上升而下降,当热流很高时,却趋于一个常数;烧蚀表面温度随热流上升而升高,在本研究条件下,在600～700℃之间.AT2材料的温度和碳化层厚度,随加热时间而增大,随氮气压强的增加而减小.对入射激光束反射强的表面,碳化时的最大温度较低,碳化层的厚度较小.     

固体火箭发动机喉衬材料

介绍和综合了固体火发动机机喉衬用主要材料，包括难熔金属，石墨等，并比较了其优缺点及适用范围，给出了这些材料的热震与烧蚀性能的一些研究进展。     

冲压发动机针刺C/SiC喷管的烧蚀行为研究

为探索C/SiC喷管在固液冲压发动机上应用的可行性以及固液冲压发动机工作环境下的烧蚀行为,对冲压发动机针刺C/SiC复合材料喷管进行了研究.研究结果表明:针刺C/SiC复合材料喷管能够适应冲压发动机富氧、长时间的工作环境;C/SiC复合材料喷管入口段和扩张段存在轻微的氧化,喉部以热化学烧蚀为主,收敛段以热化学烧蚀和热机械侵蚀为主;收敛段为整个喷管的薄弱环节,应根据不同的工作条件和烧蚀机理,对C/SiC喷管的厚度进行分别设计.     

固体火箭发动机用新型涂料热防护设计和试验研究

介绍了某联合动力装置中的共底和环形点火器首次采用新研制的３５００Ｋ高温涂料进行热防护的配方设计、受热计算、涂层制备和试验考核。由环氧改性有机硅树脂基料、专用树脂固体体系和多种形状的硅酸盐填料制成的涂层具有优异的耐高温、隔热和抗烧蚀性能，还能常温固化成形，成功地解决了中型固体火箭发动机中大尺寸、薄壁、复杂型面零件的热防护和过烧蚀难题，有效地提高了发动机的工作可靠性。     

有机纤维与酚醛树脂的相似性及应用研究

为了解决新型有机纤维改性硅基/酚醛复合材料的烧蚀/温度场计算问题,提出了将改性用的有机纤维等效于酚醛树脂的处理方法.通过试验表明有机纤维与酚醛树脂具有一定的热相似性,理论计算时将有机纤维成分按树脂处理,从而利用已有树脂基类防热材料设计方法来预测有机纤维类复合材料的烧蚀/温度场.试验结果表明此方法合理可行.     

高过载条件下绝热层烧蚀实验方法研究 (Ⅱ)收缩管聚集法

发展了一种能开展高过载条件下绝热层烧蚀研究的模拟实验方法——收缩管聚集法，研制了收缩管聚集高过载模拟烧蚀实验装置。对实验装置及固体火箭发动机过载条件下的三维两相内流场开展了对比数值模拟，结果表明这种实验装置产生的高浓度粒子流与40g纵横向过载条件下发动机内形成的高浓度粒子流状态很接近，说明这种实验方法是可以模拟高过载条件下绝热层烧蚀环境的。利用这套实验装置开展了高浓度粒子流冲刷条件下绝热层烧蚀实验，对6种绝热材料开展的烧蚀实验表明：所有试件表面均被冲蚀出一个凹坑，说明粒子冲刷对绝热层烧蚀影响很大。凹坑最大烧蚀部位与数值模拟得到的粒子浓度最大部位基本吻合。     

喉衬热环境与碳/碳复合材料的烧蚀

在分析固体火箭发动机喷管喉衬热环境与碳/碳复合材料烧蚀行为的基础上，从材料的角度讨论了影响碳/碳复合材料烧蚀性能的因素。结果表明：碳/碳复合材料的烧蚀是受喉衬复杂燃气环境众多因素共同作用的结果，主要的烧蚀效应有碳的升华、表面异相化学反应以及机械侵蚀；影响碳／碳复合材料烧蚀性能的材料本体特性有纤维特性、预制件结构、材料密度、孔隙、基体碳的种类、石墨化度、杂质，其中部分因素存在交互影响的作用。     

耐烧蚀隔热涂层的研制

文摘采用环氧改性有机硅树脂、低温消融型填料、耐高温填料、增强剂、增韧剂及高成碳率的钡酚醛树脂粉等制备了一种耐烧蚀隔热涂层,研究了混配后涂层的耐烧蚀隔热性能。结果表明,该涂层是一种性能优良的防热涂层材料,具有良好的隔热和耐烧蚀性能,可用于火箭、导弹等飞行器的表面以及各种设备的防热保护。     

高浓度颗粒流冲刷条件下硅橡胶和EPDM绝热材料动态烧蚀实验

利用X射线实时诊断技术(RTR)针对硅橡胶和EPDM绝热材料,开展了高浓度颗粒流冲刷条件下动态烧蚀实验研究,成功获得了绝热材料烧蚀表面退移过程的序列图像。研究表明:(1)在本实验条件下,硅橡胶绝热材料颗粒冲刷区域的瞬时烧蚀率在0～2s内迅速增加,2s之后瞬时烧蚀率略有下降并趋于稳定;EPDM绝热材料颗粒冲刷区域的瞬时烧蚀率在0～1s内迅速增加,1s之后瞬时烧蚀率趋于稳定;(2)相同冲刷条件下硅橡胶绝热材料抗颗粒流冲刷性能比EPDM绝热材料差,硅橡胶绝热材料不适合在高过载发动机中应用;(3)高浓度颗粒流冲刷条件下绝热材料的烧蚀率比常规条件下要严重的多,其机理主要是高温颗粒流对炭化层有强烈的机械剥蚀效应和热化学烧蚀作用。实验结果对硅橡胶和EPDM绝热材料烧蚀机理研究及烧蚀建模具有重要参考价值。