内压下轴编碳/碳复合材料喉衬细观结构与宏观应力状态的关联模型

针对内压作用下的中空轴编C/C复合材料设计问题,提出依据复合材料均匀化理论,将中空结构简化为功能梯度材料圆筒的构想,构建了轴编C/C复合材料细观结构与宏观应力分布的理论关联模型。以中空结构等应力分布为设计目标,采用所建立的关联模型设计获得轴编C/C复合材料的编织工艺方案,并通过有限元仿真验证了方案的正确性。结果表明,建立的关联模型为轴编C/C复合材料喉衬的编织工艺设计提供了理论支撑,通过对碳棒和纤维束排布规律等细观结构的设计,喉衬内外周向应力差减小了24.58%。

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%的复合推进剂工况下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对烧蚀性能的影响。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,对喉衬烧蚀起到了一定保护作用。

固体火箭发动机喉衬流场及热结构耦合分析

为了准确预示固体火箭发动机喉衬在燃气环境中的烧蚀传热及热结构行为,建立了基于FLUENT流体计算软件和ANSYS结构分析软件的流场及热结构耦合分析模型。由FLUENT采用整场离散、整场求解的方法进行流固耦合烧蚀传热模拟,得到的压强及温度分布导入ANSYS进行结构分析,实现了流场与烧蚀传热的双向耦合以及流场、热到结构的单向耦合。算例结果表明,在发动机工作过程中,喉衬内壁对流换热系数因壁温升高而逐渐降低;内壁温度及烧蚀率遵循内壁热流密度的分布规律,在喉部上游达到峰值;喉部区域对流换热严重,固相材料温度梯度高,是应力集中区。

石墨渗铜喉衬材料的微观结构与抗热震性能

采用粗粒级高强石墨加压渗铜工艺,制备了石墨渗铜(CIG:copper-impregnated graphite)喉衬材料。对其微观结构与抗热震性能的关系进行了研究。结果表明,由于渗铜提高了原石墨的热导率及整体增韧的综合效果,使石墨渗铜材料比通用的5种石墨材料具有更好的抗热震性能,更好地适应了小型高性能战术导弹、航天飞行器高压强大流量SRM对喉衬材料的要求。

石墨渗铜喉衬的烧蚀特性

介绍了石墨渗铜材料作为固体火箭发动机(SRM)喉衬与长尾管衬套的烧蚀特性和机理。液态铜在高温高压燃气的作用下仍滞留在石墨基材内,起到抑制烧蚀的效果,改善了KS 8高强石墨的耐烧蚀性能。

固体火箭发动机实验条件下基于拉瓦尔喷管变流道参数的4D编织C/C复合材料烧蚀性能（英文）

固体火箭发动机实验条件下,对4D编织C/C复合材料变参数流道拉瓦尔喷管进行了烧蚀特性研究。针对变流道喷管变化的烧蚀角度,分析了材料的烧蚀机理。结果表明,由于变流道的原因,从收敛段到喉部烧蚀逐渐加剧,在收敛段与喉部过渡段45°烧蚀角出烧蚀最为严重,烧蚀角越大,烧蚀越严重。之后,烧蚀程度明显逐渐减小。烧蚀率沿着变流道喷管轴向逐渐改变,最大烧蚀率是0.056 mm/s,最大质量烧蚀率是0.157 kg/m^2·s。并且,轴向纤维、径向纤维到环向纤维,烧蚀尖角逐渐增大。烧蚀特性与粒子速度、粒子撞击角度、粒子浓度、壁面剪切力等因素相关。在热化学烧蚀和机械剥蚀共同作用下,变流道是不同烧蚀行为的主要影响因素。

C/C喉衬材料烧蚀试验方法研究

C/C喉衬材料的烧蚀性能与原材料性能、工艺过程有很大关系,采用小型试验发动机可有效进行C/C喉衬材料烧蚀性能模拟试验。介绍了3种小型发动机喉衬烧蚀试验方法,并着重分析了一种方形喉衬的试验方法。试验结果表明,该方法适于各类喉衬材料的烧蚀性能对比,尤其适用于径棒法编织的C/C喉衬材料。

固体发动机喷管喉衬温度场测量与分析

为了剥离热化学烧蚀吸热的影响并获取固体火箭发动机喷管结构内部的温度场分布,以锻压钨为材料设计喷管,在喷管喉衬径向的一定位置埋置热电偶来测量喷管结构温度。实验结果表明:采用锻压钨制作喷管,该本实验条件下可以忽略热化学烧蚀对锻压钨喷管喉部换热的影响;实验测量结果符合传热规律,与导热计算结果基本吻合。实验结果真实可信,为喷管喉部对流换热模型的建立、完善提供数据支持和实验验证。

过载对固体火箭发动机性能影响试验研究(英文)

建立了立式旋转试车台,研究了高过载对固体火箭发动机性能的影响。通过地面静止及不同过载(15gn,15gn;35gn,15gn)条件下点火对比试验,获得固体火箭发动机在不同过载条件下内弹道性能以及绝热层和喉衬的烧蚀规律。试验表明,随着过载增加,发动机压强增大、工作时间缩短;横向与轴向的组合过载恶化了烧蚀环境,使喉衬出现偏心烧蚀。

喉衬用石墨材料的性能和功能评价

评价了国内固体火箭发动机喉衬中成功应用的第一代高强石墨、第二代高密高强石墨、第三代各向同性石墨的物理、力学、热学等材料基本性能和抗热冲击、耐烧蚀等应用功能,并与国外相应的石墨材料性能与功能进行了分析对比,为建立喉衬用石墨材料数据库奠定了基础。揭示了石墨材料拉伸强度、热导率、弹性模量及热膨胀系数与抗热冲击功能的关联度。指出适当放大配料方的最大颗粒度,提高石墨化温度和适宜控制石墨材料的密度范围,是提高各向同性石墨材料综合性能的重点改进方向。

C/C组合喉衬烧蚀试验方法及微观形貌对比

发展了一种C/C组合喉衬的烧蚀试验方法,采用该方法对C/C原始材料和经过热化学烧蚀后的C/C材料进行含铝工况试验,对比研究粒子对C/C材料表面微观形貌的侵蚀作用。试验表明,该方法能准确反映材料的实际烧蚀性能,确保对比材料烧蚀性能是在同工况下进行,也适用于各类不同喉衬材料的烧蚀性能对比。研究认为,热化学烧蚀起主导作用,有无粒子侵蚀对C/C材料烧蚀率的影响不大;粒子侵蚀对收敛段区域微观形貌影响最为严重,1号试件纤维单丝最尖锐,3号无锥尖形貌,2号呈圆台形貌,喉部区域无铝工况的纤维单丝比含铝工况尖锐;组合喉衬2号和3号因材料表面粗糙度的不同,造成微观形貌和烧蚀率差异,说明经烧蚀后的C/C材料再次烧蚀,其性能大幅下降,材料表面粗糙度越大,烧蚀率越大。

固体火箭发动机用W8Cu钨渗铜喉衬抗烧蚀性研究

采用工作时长200 s的固体火箭发动机地面热试车的试验,对由6.7μm和7.1μm费氏粒度的W8Cu钨粉制备的钨渗铜喉衬进行研究。通过对试验结果宏观-微观的渐进分析,获得喉衬截面沿燃气方向的不同宏观表征;通过微观形貌和能谱分析,显示不同部位表面元素含量的差异,包括燃料粒子的烧蚀沉积和钨铜基体的裸露形态,反映了高温粒子流冲刷对喉衬的机械剥蚀影响。实验结果获得了钨粉费氏粒度与钨渗铜喉衬抗烧蚀能力的相关性,表明对于W8Cu牌号的钨渗铜材质,在测试的6~7μm的费氏粒度范围内,钨粉的费氏粒度越大,钨骨架相对密度越大,其抗烧蚀性能越好。

某发动机石墨喉衬的裂纹成因分析

确保石墨喉衬在工作期间的结构完整性是某级间分离固体发动机设计的重要任务,初步设计方案经试车考核后,部分石墨喉衬出现了裂纹。针对该发动机喷管进行了喉衬热结构仿真分析,获得了不同危险点的应力大小和状态,并探讨了该喉衬裂纹的成因。结果表明,喷管仿真分析结果与实际试车结果吻合较好,点火初期石墨喉衬在大梯度的温度和压力冲击下,内部易产生较大的热应力,若石墨材料轴向拉伸强度不足,将可能导致裂纹出现。

接触热阻对喉衬温度场的影响(英文)

通过计算和实验测试研究了接触热阻对喉衬温度场的影响。测试了轴编C/C复合材料和5-Ⅱ材料粘接状态下的接触热阻,并建立了考虑接触热阻的计算模型。结果表明,接触压力对接触热阻影响显著,而接触温度影响较弱;接触热阻对喉衬组件温度场具有明显影响,既使喉衬温度升高,又使得背壁的温度降低。

石墨渗铜喉衬材料烧蚀机理与工程计算

通过石墨渗铜喉衬材料的热传导结果分析以及石墨渗铜与发动机高温燃气的化学反应得出了石墨渗铜喉衬的烧蚀机理 :铜在石墨渗铜材料发动机喉衬烧蚀过程中仅能出现铜的相变和表面液态铜流失 ,而不能出现铜蒸汽的自发汗现象 ;石墨渗铜中铜元素不与燃气发生反应 ;石墨基材本身有热化学烧蚀 ;机械剥蚀。

短切炭纤维/酚醛树脂胶粘剂的配方研究

为确定最佳组分含量,采用正交实验法对“酚醛树脂(PF)+纳米S iO2粉+石墨粉+ZrO2粉+短切炭纤维”胶粘剂体系进行了配方研究,并探讨了组分含量对胶粘剂性能的影响。得到的最佳配方为“PF+2%纳米S iO2粉+1%石墨粉+1%ZrO2粉+4%短切炭纤维”,其对石墨材料的粘接强度达11.6 MPa,胶粘剂本体线烧蚀率为0.058 mm/s,质量烧蚀率为0.0732 g/s。胶粘剂可进一步用于粘接修复C/C复合材料喉衬构件的工艺缺陷。

C/C喉衬热反应边界层内组分分布数值分析

为研究C/C喉衬热反应边界层内的组分浓度梯度变化规律,基于C/C喉衬的热化学烧蚀理论,建立了组分输运方程。采用有限速率化学反应模型,对C/C喉衬热反应边界层内的组分分布进行了数值研究。计算结果表明,喷管喉部的热化学烧蚀反应最为剧烈,边界层内的热化学烧蚀反应由化学动力学与组分扩散共同控制。推进剂中含铝与否对组分分布影响较大,燃烧室压强及喷管尺寸影响较小。

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。

固体火箭发动机喉径变化辨识

根据发动机实验得到的燃烧室压强和发动机推力随时间变化数据，考虑了三氧化二铝沉积、消融和喉衬材料烧蚀，建立了喉径变化模型，并用辨识技术得到了喉径变化规律，为发动机性能计算提供了必要的数据，大大提高了性能计算的精度。

固体发动机燃烧室离散相颗粒相变对喉衬烧蚀的影响

针对喉衬烧蚀试验中高燃温推进剂对喉衬烧蚀较普通推进剂偏小的现象,采用Eu ler-Lagrangian方法,对燃烧室内离散相颗粒的传热和相变过程进行数值分析,对烧蚀偏小现象给出了理论解释。分析结果表明,在发动机燃烧室内的高温环境(4 000 K)下,约有离散项总质量40%左右的颗粒发生相变成为气体,大部分离散相颗粒从喷管逃逸;离散项颗粒的相变,一方面会减弱对喉衬的烧蚀,另一方面会造成燃烧室内温度等参数分布的不均匀。